大脑为何如此耗能比较计算与通信的代谢能效

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导语

为什么人脑仅占2%的体重，却消耗了人体20%的能量？人脑与计算机之间谁的能耗更高？大脑的代谢模式怎样启发计算机与人工智能设计？最近的研究发现，大脑在处理计算与通信两种任务时，代谢模式不同，且大脑通信的代谢成本远高于计算。大脑能耗研究也为下一代高性能低功耗计算机的研发提供了启示。

研究领域：大脑能量消耗，最优计算，神经计算，信息处理

VijayBalasubramanian

作者

张澳

翻译

梁金

审校

邓一雪

编辑

1.大脑能量消耗之谜

人脑仅占体重的2%，却占人体代谢负荷的20%[1-3]，单位质量的代谢成本是肌肉的10倍。另一方面，大脑能在大约20W的能量预算下创作诗歌、艺术以及设计航天器——考虑到用来写作这篇文章的计算机就需要80W的能耗，大脑的能耗简直微不足道。

大脑中何处消耗能量，能量被用来做什么？为什么大脑的代谢成本相对于其它生命活动如此高昂？大脑又是如何实现远高于硅基产品的能量效率？

许多经典论文都研究过这些问题。Attwell和Laughlin[4]进行了详细的生物物理估计，表明神经信号传导和神经递质释放的突触后效应合起来占大脑三磷酸腺苷（ATP，生物体最直接的能量来源）消耗的80%，这一结论也得到了神经生理学和解剖学的支持[5,6]。

许多研究探讨了这种能量消耗的结构及功能后果，包括限制大脑尺寸和缩放规律（sizeandscaling）、有效连线模式、模拟（分级电位）与数字（尖峰）信号、分布式神经代码、沿神经束的信息流量分布及其规模分布，还有计算异质性和效率等[8-17]。Sterling和Laughlin[18]对这些想法进行综合，得出一系列大脑的设计原则。Levy和Calvert[19]提出了哺乳动物大脑功率预算的功能解释，表明通信的代谢成本比计算高得多，并探索了神经回路组织的功能后果。

2.大脑中的通信和计算

Levy和Calvert[19]以早期文献为基础，主要