导语为甚么人脑仅占的体重，却破耗了人体的能量人脑与计较机之间谁的能耗更高除夜脑的代谢模式若何启发计较机与人工智能设计比来的研究发现，除夜脑在措置计较与通信两种使命时，代谢模式不合，且除夜脑通信的代谢成本远高于计较。除夜脑能耗研究也为下一代高机能低功耗计较机的研发供给了启发。研究规模：除夜脑能量破耗，计较，神经计较，信息措置. 除夜脑能量破耗之谜人脑仅占体重的 ，却占人体代谢负荷的 [-]，单元质量的代谢成本是肌肉的倍。此外一方面，除夜脑能在除夜约 W 的能量预算下创作诗歌、艺术和设计航天器——考虑到用来写作这篇文章的计较机就需要 W 的能耗，除夜脑的能耗简直眇乎小哉。除夜脑中何处破耗能量，能量被用来做甚么为甚么除夜脑的代谢成底蕴对其它生命勾当如斯昂扬除夜脑又是若何实现远高于硅基产物的能量效力良多经典论文都研究过这些问题。Attwell 和 Laughlin [] 进行了具体的生物物理估量，注解神经灯号记号传导和神经递质释放的突触后效应合起来占除夜脑三磷酸腺苷（ATP，生物体最直接的能量来历）破耗的 ，这一结论也获得了神尽心理学和剖解学的撑持 [, ]。良多研究参议了这类能量破耗的结构及功能后果，搜罗限制除夜脑尺寸和缩放纪律（size and scaling）、有用连线模式、摹拟（分级电位）与数字（尖峰）灯号记号、分布式神经代码、沿神经束的信息流量分布及其规模分布，还有计较异质性和效力等[-]。Sterling 和 Laughlin [] 对这些设法进行综合，得出一系列除夜脑的设计原则。Levy 和 Calvert [] 提出了哺乳动物除夜脑功率预算的功能注释，注解通信的代谢成本比计较高良多，并试探了神经回路组织的功能后果。. 除夜脑中的通信和计较Levy 和 Calvert [] 以初期文献为根底，首要人脑平不合信息措置模式的相对能耗，而不是细胞层面不合功能的能耗。它们对通信和计较做出了关头的分辩：“通信”凡是为指信息点到点的传输（可能以某种编制编码），不搜罗表征转换、特点提取或抉择妄图的映照。除夜脑中通信的一个例子是视觉信息沿视神经从眼睛到中心除夜脑的传输，这个过程中视觉信息连结不变。“计较”是一个更巧妙的概念，凡是从输入-输出转换的角度来理解。Levy 和 Calvert 在先前工作的根底上，将每个神经元视为对自己输入中的暗藏变量进行“微不美不美观估量或猜想”，并在脉冲距离内（神经元两次传输灯号记号的动作电位之间）对输出进行编码。微不美不美观估量和猜想是极其一般化的框架，能够包含神经计较的其他不美观不美观概念（如将神经元视为动力系统或逻辑门），而且还包含了单个神经元在神经汇集中的计较功能。一样，脉冲距离中信息编码的形式也包含多种可能性，如速度编码和模式编码。是以，除夜脑中神经元“计较”的一个例子可所以 V 区（见图）?中的一个细胞对视神经输入灯号记号的估量或猜想，并将其编码为视觉上某个物体（如一条水平线）的存在。图.初级视觉皮层（V），位于除夜脑内侧枕叶的距状沟中（后脑勺摆布边）。V是皮层中的“个”视觉措置区域， LGN（外侧膝状体核，位于丘脑，领受视网膜除夜部门视觉信息输入）将除夜部门轴突灯号记号发送至V皮层。从这个角度解缆，对比了计较中触及的单元脉冲距离的兴奋性电流中恢复离子梯度的 ATP 成本，和通信中触及的诸如轴突静息电位、动作电位和囊泡收受领受等成本，事实下场得出结论：通信相关的生物物理过程破耗的能量是计较相关过程的 倍（生物相关单元以每秒破耗 ATP 分子计，物理单元以每秒破耗焦耳计）?[]。通信与计较能耗的巨除夜分歧为参考文献 [] 中隐含的发现正名，其注解神经灯号记号传导和神经递质释放的突触后效应放置着除夜脑的功耗。来自参考文献 [] 的此外一条证据注解，神经元中的线粒体分布会追踪放电率和突触传递，是以轴突的粗细很可能取决于突触终端的能耗需求，它占哺乳动物除夜脑能耗的 []。在先前成立的框架中，文献[]与[]中描述的高能耗过程都是通信过程，不搜罗文献[]中的计较过程。有趣的是，Levy 和 Calvert 还估量， 的皮层能量支出是用于与突触发生相关的过程，例如经由过程肌动卵白聚合、膜合成和掺入，和相关的细胞内运输的成长。这进一步细化了先前的能量预算，注解除夜脑将四分之一以上的能量用于促进延续进修，这与我们对除夜脑的印象相一致。图.一个典型的神经元由胞体（cell body），树突（dendrite）和轴突（axon）组成，轴突的最远端是突触（synae），神经元可以经由过程突触将灯号记号传输到此外一个细胞。. 除夜脑耗能对计较机设计的启发在物理层面，Levy 和 Calvert 计较出皮层灰质破耗了除夜约 W 的功率，而遵循除夜脑葡萄糖摄取量，估量除夜脑功率破耗为 ~ W [ , ]，其中 在正常气象下未作，除夜约 W 以热量形式耗散，残剩能量为除夜脑其余部门供能。对皮层灰质 W 的功耗估量与 Lennie [] 初期工作的功能一致。但 Lennie 操作 年前可用的数据，发现除夜脑能量预算的划分略有不合——除夜脑的功耗用于与神经电灯号记号勾当（即计较和通信）无关的过程。该结论与当前研究的分歧部门来自于生物物理数据，搜罗对突触数目及其接通率（success rate）的估量。新的估量还注解，灰质中每个神经元的能耗除夜约为W，这与 Herculano-Houzel的工作一致[] 。Levy 和 Calvert 遵循噪声神经积分器输入和输出之间的互信息，来估量除夜脑每焦耳能耗所计较的信息比特数。在这个界说下，他们发现神经元每比特的计较能耗是 Landauer 理想热力学极限[] 的倍。他们认为这一巨除夜分歧源于通信成本（Landauer 轻忽了这一点）和生物需要快速响应步履的计较需求。通信成本和快速计较需求这两个束厄狭隘无疑是相关的，研究人员但愿在未来细心考验计较的界说，和由活细胞计较施加的生物物理束厄狭隘。译注：Landauer 事理注解，擦除比特信息在理论上起码要发生kBTln 的能量耗散，这被称为Landauer极限。在 Levy 和 Calvert 的分化中，能量预算和每焦耳能耗所计较的比特数都取决于一个参数：皮质锥体神经元的平均输入突触数乘以它们的接通率。他们发现，当这个参数除夜约为 时，每焦耳能耗所计较的比特数估值将最除夜化，接近于他们从数据中得出的值。这个有趣的功能让人想起之前操作能源效力来理解神经放电理当若何组织的研究 [, ]，和信息理当若何在除夜脑中的细胞和结构之间进行分拨的研究 [, ]。这项新工作为更邃密地分化除夜脑中的回路结构和除夜脑若何划分计较使命打开了除夜门。图. 除夜脑中的计较分布在汇集中通信的特定组件之间。绿色圆圈暗示皮质区域汇集，每个区域履行不合的功能。橙色三角形暗示锥体细胞汇集，它们经由过程协作计较单个皮质区域的功能。Levy 和 Calvert 认为根底单元的计较成本对比于它们之间的通信成本而言眇乎小哉。Levy 和 Calvert 的功能与在延续计较和通信方面注释区域脑代谢的功能性磁共振成像（fMRI）测量值是相关的。新数据也合用于对除夜脑演变的研究，如针对除夜脑代谢成本昂扬 [] 及代谢心理上限制除夜脑结构 [, ] 的研究。Levy 的研究功能也会激起工程师对设计下一代低功耗智能计较设备的欢兴奋乐喜爱。研究指出由除夜脑灰质完成的计较和通信仅需W的功率，即便加上用于保温的W功率，这一功耗也比典型的笔记本电脑低出近一个数目级。先前的工作注解，信息措置速度和能耗间存在的收益递减纪律将催促计较机向异构架组成长，在这类架构中，整体功能在各尺度上经由过程除夜量特订单元间的协作呈现，每个特订单元以物理基质抉择的效力措置信息[]。Levy 和 Calvert 的论文注解，这类向异构架构的改变必需平衡好不合组件之间的汇集进修成本和通信成本，因为当然每个单元的计较成底蕴对较低，但单元间的通信成本将是昂扬的。