Τα Νευρωνικά Δίκτυα Μάθαινουν Καλύτερα Αντιγράφοντας τα Πρότυπα Ύπνου του Ανθρώπινου Εγκεφάλου

Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας – Σαν Ντιέγκο εξετάζει πώς τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα μπορούν να μιμηθούν τα πρότυπα ύπνου του ανθρώπινου εγκεφάλου για να μετριάσει το πρόβλημα της καταστροφικής λήθης. 

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο PLOS Computational Biology. 

Συνολικά, οι άνθρωποι απαιτούν 7 έως 13 ώρες ύπνου ανά 24 ώρες. Ενώ ο ύπνος χαλαρώνει το σώμα με πολλούς τρόπους, ο εγκέφαλος παραμένει πολύ ενεργός. 

Ενεργός Εγκέφαλος Κατά τη Διάρκεια του Ύπνου

Ο Maxim Bazhenov, PhD, είναι καθηγητής ιατρικής και ερευνητής του ύπνου στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας Σαν Ντιέγκο Σχολή Ιατρικής. 

“Ο εγκέφαλος είναι πολύ απασχολημένος όταν κοιμόμαστε, επαναλαμβάνοντας ό,τι μάθαμε κατά τη διάρκεια της ημέρας,” λέει ο Bazhenov. “Ο ύπνος βοηθά στην επανοργάνωση των μνημών και τις παρουσιάζει με τον πιο αποτελεσματικό τρόπο.”

Ο Bazhenov και η ομάδα του έχουν δημοσιεύσει προηγούμενη εργασία σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο ο ύπνος χτίζει ρητή μνήμη, η οποία είναι η ικανότητα να θυμάσαι τυχαίες ή έμμεσες συνδέσεις μεταξύ αντικειμένων, ανθρώπων ή γεγονότων. Προστατεύει επίσης από τη λήθη των παλαιών μνημών. 

Το Πρόβλημα της Καταστροφικής Λήθης

Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα αντλούν έμπνευση από την αρχιτεκτονική του ανθρώπινου εγκεφάλου για να βελτιώσουν τις τεχνολογίες και τα συστήματα της τεχνητής νοημοσύνης. Ενώ αυτές οι τεχνολογίες κατάφεραν να επιτύχουν υπεράνθρωπη απόδοση στη μορφή της υπολογιστικής ταχύτητας, έχουν ένα σημαντικό περιορισμό. Όταν τα νευρωνικά δίκτυα μαθαίνουν σειριακά, νέα πληροφορίες υπεργράφουν τις προηγούμενες πληροφορίες σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται καταστροφική λήθη.

“Σε αντίθεση, ο ανθρώπινος εγκέφαλος μαθαίνει συνεχώς και ενσωματώνει νέα δεδομένα στην υπάρχουσα γνώση, και συνήθως μαθαίνει καλύτερα όταν η νέα εκπαίδευση είναι διαμεσολαβημένη με περιόδους ύπνου για τη συντηρητική μνήμη,” λέει ο Bazhenov. 

Η ομάδα χρησιμοποίησε νευρωνικά δίκτυα που μιμούνται τα φυσικά νευρωνικά συστήματα. Αντί να μεταδίδονται συνεχώς, οι πληροφορίες μεταδίδονται ως διακριτά γεγονότα ή σπίκες σε συγκεκριμένα χρονικά σημεία.

Μιμούμενος τον Ύπνο στα Νευρωνικά Δίκτυα

Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι όταν τα νευρωνικά δίκτυα εκπαιδεύτηκαν σε νέες εργασίες με περιστασιακές περιόδους εκτός σύνδεσης που μιμούνται τον ύπνο, το πρόβλημα της καταστροφικής λήθης μετριάθηκε. Παρόμοια με τον ανθρώπινο εγκέφαλο, οι ερευνητές λένε ότι ο “ύπνος” επιτρέπει στα δίκτυα να αναπαράγουν παλιές μνήμες χωρίς να χρησιμοποιούν ρητά τα παλιά δεδομένα εκπαίδευσης. 

“Όταν μαθαίνουμε νέα πληροφορίες, οι νευρώνες πυροδοτούν σε συγκεκριμένη σειρά και αυτό αυξάνει τις συνάψεις μεταξύ τους,” λέει ο Bazhenov. “Κατά τη διάρκεια του ύπνου, τα πρότυπα σπίκων που μάθαμε κατά τη διάρκεια της ξύπνησης επαναλαμβάνονται αυθόρμητα. Ονομάζεται επανενεργοποίηση ή αναπαραγωγή. 

“Η συνάπτική πλαστικότητα, η ικανότητα να αλλάζει ή να διαμορφώνεται, είναι ακόμη σε θέση κατά τη διάρκεια του ύπνου και μπορεί να ενισχύσει περαιτέρω τα πρότυπα συνάψεων που αντιπροσωπεύουν τη μνήμη, βοηθώντας να αποφευχθεί η λήθη ή να ενεργοποιηθεί η μεταφορά γνώσεων από παλιές σε νέες εργασίες.” 

Η ομάδα βρήκε ότι με την εφαρμογή αυτής της προσέγγισης στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, βοήθησε τα δίκτυα να αποφύγουν την καταστροφική λήθη. 

“Σημαίνει ότι αυτά τα δίκτυα μπορούσαν να μαθαίνουν συνεχώς, όπως οι άνθρωποι ή τα ζώα,” συνεχίζει ο Bazhenov. “Η κατανόηση του πώς ο ανθρώπινος εγκέφαλος επεξεργάζεται τις πληροφορίες κατά τη διάρκεια του ύπνου μπορεί να βοηθήσει να αυξήσει τη μνήμη σε ανθρώπινους υποκειμένους. Η ενίσχυση των ρυθμών του ύπνου μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερη μνήμη. 

“Σε άλλα έργα, χρησιμοποιούμε υπολογιστικά μοντέλα για να αναπτύξουμε βέλτιστες στρατηγικές για την εφαρμογή ερεθισμάτων κατά τη διάρκεια του ύπνου, όπως ηχητικά τόνοι, που ενισχύουν τους ρυθμούς του ύπνου και βελτιώνουν την μάθηση. Αυτό μπορεί να είναι ιδιαίτερα σημαντικό όταν η μνήμη δεν είναι βέλτιστη, όπως όταν η μνήμη μειώνεται με την ηλικία ή σε ορισμένες καταστάσεις όπως η νόσος του Άλτσχαϊμερ.”