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

Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια – 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 χρειάζονται 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.

«Ο εγκέφαλος είναι πολύ απασχολημένος όταν κοιμόμαστε, επαναλαμβάνοντας ό,τι μάθαμε κατά τη διάρκεια της ημέρας», λέει ο Bazhenov. «Ο ύπνος βοηθά στην αναδιοργάνωση 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 τη ρητή μνήμη, η οποία είναι η ικανότητα να θυμάται τυχαίες ή έμμεσες συνδέσεις μεταξύ αντικειμένων, ατόμων ή γεγονότων. Επίσης, προστατεύει από τη λήθη των παλιών 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 έχουν καταφέρει να επιτύχουν υπεράνθρωπη απόδοση σε μορφή υπολογιστικής ταχύτητας, έχουν ένα σημαντικό περιορισμό. Όταν τα νευρωνικά δίκτυα μαθαίνουν σειριακά, οι νέες πληροφορίες σβήνουν τις προηγούμενες πληροφορίες σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται καταστροφική λήθη.

«Αντίθετα, ο ανθρώπινος εγκέφαλος μαθαίνει συνεχώς και ενσωματώνει новые δεδομένα στις υφιστάμενες γνώσεις, και μαθαίνει καλύτερα όταν η νέα εκπαίδευση είναι διαπλεγμένη με περιόδους ύπνου για την ενίσχυση της μνήμης», λέει ο Bazhenov.

Η ομάδα χρησιμοποίησε νευρωνικά δίκτυα που μιμούνται τα φυσικά νευρωνικά συστήματα. Αντί να επικοινωνούν 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 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 παλιά δεδομένα εκπαίδευσης.

«Όταν μαθαίνουμε νέες πληροφορίες, οι νευρώνες πυροδοτούν σε συγκεκριμένη σειρά και αυξάνουν τις συνάψεις μεταξύ τους», λέει ο Bazhenov. «Κατά τη διάρκεια του ύπνου, τα πρότυπα πυροδότησης που μάθαμε κατά τη διάρκεια της ξυπνητής μας κατάστασης επαναλαμβάνονται αυθόρμητα. Αυτό ονομάζεται αναπαράσταση ή επανάληψη.

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

Η ομάδα βρήκε ότι εφαρμόζοντας αυτήν την προσέγγιση στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, βοήθησε τα δίκτυα να αποφύγουν τη 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 στην ενίσχυση της μνήμης σε ανθρώπινους υποκειμένους. Η ενίσχυση των ρυθμών του ύπνου μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερη μνήμη.

«Σε άλλα έργα, χρησιμοποιούμε υπολογιστικά μοντέλα για την ανάπτυξη βέλτιστων στρατηγικών για την εφαρμογή ερεθισμάτων κατά τη διάρκεια του ύπνου, όπως ήχοι, που ενισχύουν τους ρυθμούς του ύπνου και βελτιώνουν τη 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 Αλτσχάιμερ».