Das menschliche Gehirn verfügt über Milliarden von Neuronen. Warum läuft es also nur mit 10 Bits pro Sekunde?

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Eine kürzlich in der Zeitschrift Neuron veröffentlichte Studie untersuchte die Fähigkeit des menschlichen Gehirns, Informationen schnell zu verarbeiten. Untersuchungen haben ergeben, dass unser Denken nicht so schnell ist, wie wir denken.

In der Informatik ist ein Bit die grundlegende Informationseinheit, die zur Darstellung eines binären Zustands (0 oder 1) verwendet wird. Durch die Kombination einer großen Anzahl von Bits können Computer enorme Datenmengen effizient speichern und verarbeiten und dabei eine herausragende Leistung erbringen.

Das menschliche Gehirn kann nur 10 Informationsbits pro Sekunde verarbeiten.

(Bildquelle: Dokument 1)

Die Studie zeigt, dass die Informationsübertragungsrate des menschlichen Verhaltens nur etwa 10 Bit pro Sekunde beträgt, während das sensorische System etwa 10⁹ Bit Informationen pro Sekunde aufnehmen kann. Dies bedeutet, dass unser peripheres Nervensystem sensorische Daten parallel mit einer Gigabit-Rate sammelt, also um Größenordnungen höher als die mickrigen 10 Bits, die das Gehirn letztendlich ausgibt!

Dieses Phänomen berührt eine grundlegende Frage zur Gehirnfunktion: Welche neuronalen Mechanismen begrenzen die Geschwindigkeit des menschlichen Denkens? Warum kann das Gehirn mit seinen einer Milliarde Neuronen nur eine so geringe Menge an Informationen verarbeiten?

Worin besteht der Unterschied zwischen der Art und Weise, wie das menschliche Gehirn Informationen verarbeitet, und der Art und Weise, wie Computer Informationen verarbeiten?

Zunächst muss klargestellt werden, dass sich die hier diskutierte menschliche Denkgeschwindigkeit eigentlich auf die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung bezieht, also auf die Fähigkeit des Gehirns, Informationen innerhalb einer bestimmten Zeit zu verstehen, zu analysieren und zu verarbeiten. Dies unterscheidet sich grundlegend vom Konzept der Datenverarbeitung durch Computer.

Die computergestützte Informationsverarbeitung ist eher auf quantitative Speicherung und Berechnung ausgerichtet, während das menschliche Denken komplexere und mehrdimensionalere Aktivitäten umfasst.

Das menschliche Gehirn basiert auf einem Netzwerk von Neuronen, die Informationen durch bioelektrische und chemische Signale übertragen. Es zeichnet sich durch nichtlineare und verteilte Verarbeitung aus und kann Erfahrung, Emotionen und Intuition integrieren, um komplexe Denk- und Entscheidungsprozesse abzuschließen.

Im Gegensatz dazu basieren Computer auf digitalen Schaltkreisen und binären Operationen und verarbeiten Informationen auf der Grundlage klarer Algorithmen und Programme. Obwohl Computer Vorteile in puncto Logik, Genauigkeit und Rechengeschwindigkeit haben, fehlt ihnen die Fähigkeit zum eigenständigen Denken und sie können keine emotionalen Verbindungen herstellen.

Der Unterschied zwischen den beiden spiegelt sich nicht nur in ihren Fähigkeiten wider, sondern auch im Unterschied in den grundlegenden „Design“-Konzepten natürlicher und künstlicher Systeme.

Wie quantifizieren Wissenschaftler die Geschwindigkeit des menschlichen Denkens?

Diese Studie zeigt, dass die Denkgeschwindigkeit des menschlichen Gehirns 10 Bits pro Sekunde beträgt. Wie wurde dieser spezifische Wert ermittelt?

Um die Geschwindigkeit zu quantifizieren, mit der Menschen Informationen verarbeiten, haben Wissenschaftler verschiedene Experimente entwickelt, um die Menge an Informationen zu untersuchen, die Menschen bei der Ausführung verschiedener Aufgaben verarbeiten, um so die Denkgeschwindigkeit abzuschätzen.

1. Blindes Zauberwürfel-Experiment;

Wissenschaftler führten ein Blindexperiment mit dem Zauberwürfel durch, bei dem die Teilnehmer zunächst einige Sekunden Zeit hatten, den Zauberwürfel zu beobachten und sich an seinen Ausgangszustand zu erinnern. Anschließend versuchten sie, diesen wiederherzustellen, ohne den Zauberwürfel überhaupt anzusehen. Der gesamte Prozess ist in zwei Phasen unterteilt: Beobachtungsphase und Problemlösungsphase. Die Forscher beurteilten die kognitive Verarbeitungsgeschwindigkeit der Teilnehmer, indem sie die Betrachtungszeit und die Problemlösungszeit aufzeichneten.

Blindes Zauberwürfel-Experiment

(Bildquelle: Vom Autor mithilfe von KI erstellt)

Die Herausforderung beim blinden Zauberwürfel-Experiment besteht darin, dass 4,3 × 10 16 mögliche Zauberwürfelzustände in sehr kurzer Zeit durchleuchtet und Schlüsselinformationen extrahiert werden müssen, um eine Gedächtnisstrategie zu entwickeln. Experimentelle Daten zeigten, dass die Teilnehmer während der Beobachtungsphase Informationen mit einer Geschwindigkeit von etwa 11,8 Bit pro Sekunde verarbeiteten. Dies lässt darauf schließen, dass das Gehirn selbst bei komplexen Aufgaben bei der Verarbeitung und Speicherung eine Rate von nahezu 10 Bits pro Sekunde aufrechterhält, ein Ergebnis, das den seriellen Arbeitsmechanismus des Gehirns bei kognitiven Aufgaben mit hoher Intensität unterstützt.

2. Experiment mit Schreibaufgaben;

Die Wissenschaftler entwarfen außerdem ein Experiment mit einer Tippaufgabe. Die Teilnehmer mussten den handschriftlichen Text auf Englisch abtippen. Die Durchschnittsgeschwindigkeit eines geübten Schreibers beträgt etwa 120 Wörter pro Minute, wobei jedes Wort etwa 5 Zeichen enthält. Die Forscher ermittelten die tatsächliche Informationsverarbeitungsrate während der Tippaufgabe, indem sie die Gesamtzahl der getippten Zeichen und die dafür benötigte Zeit zählten.

Das Experiment zeigte, dass die Teilnehmer ihre Tippgeschwindigkeit beim Tippen sinnvoller englischer Texte anhand von Sprachmustern und Kontexthinweisen verbesserten. Als die Experimentatoren die Schreibkräfte jedoch aufforderten, eine zufällige Zeichenfolge einzugeben, sank die Eingabegeschwindigkeit erheblich, was genau die hohe Abhängigkeit kognitiver Prozesse von Semantik und Gedächtnismustern widerspiegelt. Obwohl die Geschwindigkeit von Handbewegungen ein relativ hohes Niveau erreichen kann, liegt die Obergrenze der Informationsverarbeitung immer noch bei 10 Bit/Sekunde. Dies zeigt, dass der kognitive Engpass des Gehirns nicht nur durch die Geschwindigkeit des motorischen Systems begrenzt wird, sondern auch mit dem Mechanismus der seriellen Informationsprüfung und -verarbeitung im Gehirn zusammenhängt. Dieses Experiment unterstreicht die Bedeutung der Sprachmustererkennung und der kognitiven Vereinfachung bei der Verbesserung der Eingabeeffizienz.

Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung am Beispiel der Eingabe

(Bildquelle: Vom Autor mithilfe von KI erstellt)

3. E-Sport-Experiment;

Um diese Schlussfolgerung weiter zu überprüfen, richteten die Forscher ihre Aufmerksamkeit auf E-Sport-Spieler. Schnelle Computerspiele wie StarCraft werden als Instrument zur Untersuchung der Geschwindigkeit der menschlichen Informationsverarbeitung verwendet, da sie von den Spielern verlangen, in sehr kurzer Zeit mehrere Aufgaben zu erledigen, beispielsweise Ressourcenverwaltung, taktische Operationen und strategische Entscheidungsfindung. Die Studie zeigte, dass durch den Vergleich der Entscheidungsgeschwindigkeit zwischen tatsächlichen und theoretisch möglichen Aktionen der Schluss gezogen wurde, dass die Informationsverarbeitungsrate von professionellen Spielern bei etwa 10 Bits pro Sekunde liegt, was die kognitive Grenze des Menschen in komplexen und stressigen Umgebungen widerspiegelt.

StarCraft wird auch als Werkzeug verwendet, um die Geschwindigkeit zu untersuchen, mit der Menschen Informationen verarbeiten

(Bildquelle: Vom Autor mithilfe von KI erstellt)

Was begrenzt die Geschwindigkeit, mit der das menschliche Gehirn Informationen verarbeiten kann?

Zunächst einmal gibt es eine klare Arbeitsteilung zwischen dem „externen Gehirn“ und dem „internen Gehirn“. Das „externe Gehirn“ ist für die Verarbeitung einer großen Menge hochdimensionaler Sinneseingaben verantwortlich. Systeme wie das Seh- und Hörsystem empfangen und verarbeiten Informationen parallel und die pro Sekunde übertragene Datenmenge kann Milliarden von Bits erreichen. Das „innere Gehirn“ ist für das Filtern und Komprimieren dieser Informationen verantwortlich und extrahiert nur eine kleine Menge der Schlüsselinformationen, die sich auf das Verhalten für die Entscheidungsfindung und das Handeln beziehen. Dieser Filterprozess schränkt die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung erheblich ein, so als ob das Bild, das wir sehen, viele Informationen enthält, das Gehirn jedoch nur wenige nützliche Informationen verarbeitet.

Zweitens ist die menschliche Wahrnehmung durch serielle Verarbeitung gekennzeichnet, was bedeutet, dass sich das Gehirn jeweils nur auf eine Aufgabe konzentrieren kann. Dieser „Single-Threaded“-Betriebsmodus führt zu einem Engpass bei der Geschwindigkeit des Verhaltens. Wenn Sie beispielsweise zwei Aufgaben gleichzeitig erledigen müssen, muss die Bearbeitung der zweiten Aufgabe warten, bis die erste Aufgabe abgeschlossen ist.

Das Gehirn kann sich immer nur auf eine Aufgabe konzentrieren

(Bildquelle: Vom Autor mithilfe von KI erstellt)

Obwohl kognitive Bereiche des Gehirns höherer Ebene, wie etwa der präfrontale Kortex, Milliarden von Neuronen enthalten, besteht ihre Hauptaufgabe darin, sensorische Eingaben, Erinnerungen, Emotionen und Ziele in niedrigdimensionale Verhaltensentscheidungen zu integrieren. Dieser komplexe Integrations- und Koordinationsprozess braucht Zeit und begrenzt die Geschwindigkeit der Verhaltensreaktionen.

Darüber hinaus sind auch Geschwindigkeitsbegrenzungen durch die Komplexität der synaptischen Übertragung und der neuronalen Netzwerke gegeben. Obwohl die Übertragungsgeschwindigkeit eines einzelnen Neurons relativ hoch ist, muss das Nervensignal Schicht für Schicht durch mehrere Neuronen und Synapsen übertragen werden, anstatt direkt auf einmal übertragen zu werden. Gleichzeitig legt das Gehirn den Schwerpunkt auf die Optimierung der Genauigkeit und Flexibilität des Verhaltens statt auf die Geschwindigkeit. Dabei handelt es sich um eine evolutionäre Anpassung, die das Überleben in einer bestimmten Umgebung verbessern soll.

Und schließlich können selektive Aufmerksamkeits- und Filtermechanismen zwar effektiv kognitive Ressourcen einsparen, sie führen aber auch dazu, dass eine große Menge sensorischer Informationen verworfen wird, was die Geschwindigkeit der Verhaltensausgabe weiter einschränkt. Dies soll dazu dienen, mit der Informationsüberflutung in komplexen Umgebungen fertig zu werden. Allerdings geht dies auf Kosten einer viel langsameren Reaktionsgeschwindigkeit des Gehirns, als es in der Lage ist, sensorische Eingaben zu verarbeiten.

Das Zusammenspiel dieser Mechanismen führt dazu, dass das menschliche Verhalten nur eine Ausgaberate von etwa 10 Bits pro Sekunde aufweist. Dies steht im krassen Gegensatz zur Eingaberate des sensorischen Systems und offenbart die Designprioritäten des Gehirns.

Zusammenfassen

Die enorme Diskrepanz zwischen Sinneseindrücken und der Geschwindigkeit, mit der das Gehirn diese verarbeitet, bleibt eines der großen Rätsel der Wissenschaft. Obwohl das menschliche Gehirn eine Fülle externer Informationen erfassen kann, gelegentlich über ein ausgezeichnetes Gedächtnis verfügt und einige Informationen sogar unbewusst verarbeiten kann, ist seine tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit äußerst langsam. Eine Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit von 10 Bits pro Sekunde setzt zweifellos eine Obergrenze für die kognitiven Fähigkeiten.

Können wir diesen „Engpass“ in Zukunft also überwinden?

Am Beispiel der Gehirn-Computer-Schnittstelle arbeiten Wissenschaftler daran, einen effizienten direkten Kommunikationskanal zwischen dem menschlichen Gehirn und Computern zu etablieren, in der Hoffnung, einen schnellen und nahtlosen Informationsaustausch zu erreichen. Wenn es jedoch tatsächlich physiologische Grenzen des Gehirns gibt, wird es selbst der fortschrittlichsten Technologie schwerfallen, diese grundlegende Einschränkung zu durchbrechen. Genauso wie beim Anschluss eines Geräts mit eingeschränkter Hardwareleistung an ein superschnelles Netzwerk können externe Upgrades die interne Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht ändern.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass unsere Forschung stillstehen sollte. Im Gegenteil, diese Herausforderung erinnert uns daran, dass wir in Zukunft die Struktur und Funktionsweise des Gehirns noch eingehender erforschen und nach möglichen Wegen suchen müssen, die kognitive Leistungsfähigkeit zu verbessern.

Quellen:

1.Zheng, Jieyu und Markus Meister. „Die unerträgliche Langsamkeit des Seins: Warum leben wir mit 10 Bit/s?“ Neuron (2024).

2.Dhakal, Vivek, et al. „Beobachtungen zum Tippen anhand von 136 Millionen Tastenanschlägen.“ Protokoll der CHI-Konferenz 2018 zu menschlichen Faktoren in Computersystemen. 2018.

3. Vinyals, Oriol, et al. „Starcraft II: Eine neue Herausforderung für das bestärkende Lernen.“ arXiv-Vorabdruck arXiv:1708.04782 (2017).

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