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Neuronale Netze lernen besser durch Nachahmung von menschlichen Schlafmustern

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Ein Team von Forschern an der University of California – San Diego erkundet, wie kÞnstliche neuronale Netze Schlafmuster des menschlichen Gehirns nachahmen kÃķnnen, um das Problem des katastrophalen Vergessens zu mildern.

Die Forschung wurde in PLOS Computational Biology verÃķffentlicht.

Im Durchschnitt benÃķtigen Menschen 7 bis 13 Stunden Schlaf pro 24 Stunden. WÃĪhrend der Schlaf den KÃķrper auf viele Weise entspannt, bleibt das Gehirn sehr aktiv.

Aktives Gehirn wÃĪhrend des Schlafes

Maxim Bazhenov, PhD, ist Professor fÞr Medizin und Schlafforscher an der University of California San Diego School of Medicine.

“Das Gehirn ist sehr beschÃĪftigt, wenn wir schlafen, und wiederholt das, was wir tagsÞber gelernt haben”, sagt Bazhenov. “Der Schlaf hilft, Erinnerungen zu reorganisieren und sie auf die effizienteste Weise darzustellen.”

Bazhenov und sein Team haben bereits frÞhere Arbeiten Þber die Art und Weise verÃķffentlicht, wie der Schlaf rationales GedÃĪchtnis aufbaut, das die FÃĪhigkeit ist, willkÞrliche oder indirekte Assoziationen zwischen Objekten, Personen oder Ereignissen zu erinnern. Es schÞtzt auch vor dem Vergessen alter Erinnerungen.

Das Problem des katastrophalen Vergessens

KÞnstliche neuronale Netze ziehen ihre Inspiration aus der Architektur des menschlichen Gehirns, um kÞnstliche Intelligenz-Technologien und -Systeme zu verbessern. WÃĪhrend diese Technologien es geschafft haben, Þbermenschliche Leistungen in Form von Rechengeschwindigkeit zu erzielen, haben sie eine große EinschrÃĪnkung. Wenn neuronale Netze sequenziell lernen, Þberschreibt neue Information die vorherige Information in einem PhÃĪnomen, das als katastrophales Vergessen bezeichnet wird.

“Im Gegensatz dazu lernt das menschliche Gehirn kontinuierlich und integriert neue Daten in bestehendes Wissen, und es lernt am besten, wenn neue Trainingsperioden mit Perioden des Schlafes fÞr die Konsolidierung von Erinnerungen abwechseln”, sagt Bazhenov.

Das Team verwendete spiking neuronale Netze, die kÞnstliche natÞrliche Systeme nachahmen. Anstatt kontinuierlich kommuniziert zu werden, wird die Information als diskrete Ereignisse oder Spikes zu bestimmten Zeitpunkten Þbertragen.

Nachahmung des Schlafes in neuronalen Netzen

Die Forscher entdeckten, dass wenn spiking-Netze auf neue Aufgaben mit gelegentlichen Offline-Perioden trainiert wurden, die den Schlaf nachahmten, das Problem des katastrophalen Vergessens gemildert wurde. Ähnlich wie das menschliche Gehirn sagen die Forscher, dass “Schlaf” es den Netzen ermÃķglicht, alte Erinnerungen abzuspielen, ohne explizit alte Trainingsdaten zu verwenden.

“Wenn wir neue Informationen lernen, feuern Neuronen in einer bestimmten Reihenfolge und dies erhÃķht die Synapsen zwischen ihnen”, sagt Bazhenov. “WÃĪhrend des Schlafes werden die wÃĪhrend unseres Wachzustands gelernten Spiking-Muster spontan wiederholt. Es wird als Reaktivierung oder Wiederholung bezeichnet.

“Die synaptische PlastizitÃĪt, die FÃĪhigkeit, verÃĪndert oder geformt zu werden, ist wÃĪhrend des Schlafes noch vorhanden und kann die synaptischen Gewichtsmuster, die die Erinnerung darstellen, weiter verstÃĪrken, um das Vergessen zu verhindern oder um das Wissen von alten zu neuen Aufgaben zu Þbertragen.”

Das Team fand heraus, dass durch die Anwendung dieses Ansatzes auf kÞnstliche neuronale Netze half, den Netzen zu ermÃķglichen, katastrophales Vergessen zu vermeiden.

“Es bedeutete, dass diese Netze kontinuierlich lernen konnten, wie Menschen oder Tiere”, fÃĪhrt Bazhenov fort. “Das VerstÃĪndnis, wie das menschliche Gehirn Informationen wÃĪhrend des Schlafes verarbeitet, kann helfen, das GedÃĪchtnis bei menschlichen Probanden zu verbessern. Die Verbesserung der Schlafrhythmen kann zu einem besseren GedÃĪchtnis fÞhren.

“In anderen Projekten verwenden wir Computermodelle, um optimale Strategien zu entwickeln, um wÃĪhrend des Schlafes Stimulationen anzuwenden, wie z. B. akustische TÃķne, die die Schlafrhythmen verbessern und das Lernen verbessern. Dies kann besonders wichtig sein, wenn das GedÃĪchtnis nicht optimal ist, wie z. B. wenn das GedÃĪchtnis im Alter oder bei bestimmten Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit abnimmt.”

Alex McFarland ist ein KI-Journalist und Schriftsteller, der die neuesten Entwicklungen im Bereich der kÞnstlichen Intelligenz erforscht. Er hat mit zahlreichen KI-Startups und VerÃķffentlichungen weltweit zusammengearbeitet.