Hermoverkot oppivat paremmin matkimalla ihmisen unihäiriöitä

Kalifornian yliopiston San Diegon tutkijaryhmä tutkii, kuinka keinotekoiset hermoverkot voisivat jäljitellä ihmisaivojen unimalleja katastrofaalisen unohtamisen ongelman lieventämiseksi. 

Tutkimus julkaistiin PLOS Laskennallinen Biologia. 

Ihminen tarvitsee keskimäärin 7-13 tuntia unta 24 tunnissa. Vaikka uni rentouttaa kehoa monin tavoin, aivot pysyvät silti erittäin aktiivisina. 

Aktiiviset aivot unen aikana

Maxim Bazhenov, PhD, on lääketieteen professori ja unitutkija Kalifornian yliopiston San Diegon lääketieteellisessä tiedekunnassa. 

"Aivot ovat hyvin kiireisiä nukkuessamme ja toistavat päivän aikana opittuja asioita", Bazhenov sanoo. "Uni auttaa järjestämään muistot uudelleen ja esittämään ne tehokkaimmalla tavalla."

Bazhenov ja hänen tiiminsä ovat julkaisseet aiempia töitä siitä, kuinka uni rakentaa rationaalista muistia, joka on kyky muistaa mielivaltaisia ​​tai epäsuoria assosiaatioita esineiden, ihmisten tai tapahtumien välillä. Se myös suojaa vanhojen muistojen unohtamiselta. 

Katastrofisen unohtamisen ongelma

Keinotekoiset hermoverkot saavat inspiraatiota ihmisaivojen arkkitehtuurista tekoälytekniikoiden ja -järjestelmien parantamiseen. Vaikka nämä tekniikat ovat onnistuneet saavuttamaan yli-inhimillisen suorituskyvyn laskentanopeuden muodossa, niillä on yksi suuri rajoitus. Kun hermoverkot oppivat peräkkäin, uusi tieto korvaa aiemman tiedon ilmiössä, jota kutsutaan katastrofaaliseksi unohtamiseksi.

"Päinvastoin, ihmisaivot oppivat jatkuvasti ja sisällyttävät uutta tietoa olemassa olevaan tietoon, ja tyypillisesti se oppii parhaiten, kun uusi harjoittelu on yhdistetty unijaksoihin muistin vahvistamiseksi", Bazhenov sanoo. 

Tiimi käytti piikkihermoverkkoja, jotka jäljittelevät keinotekoisesti luonnollisia hermojärjestelmiä. Jatkuvan viestinnän sijaan informaatio välitetään erillisinä tapahtumina tai piikkeinä tiettyinä ajankohtina.

Unen matkiminen hermoverkoissa

Tutkijat havaitsivat, että kun spiking-verkkoja koulutettiin uusiin tehtäviin, joissa satunnaiset off-line-jaksot matkivat unta, katastrofaalisen unohtamisen ongelma lieveni. Kuten ihmisaivot, tutkijat sanovat, että "uni" mahdollistaa verkostojen toistaa vanhoja muistoja käyttämättä nimenomaisesti vanhoja harjoitustietoja. 

"Kun opimme uutta tietoa, hermosolut syttyvät tietyssä järjestyksessä ja tämä lisää synapseja niiden välillä", Bazhenov sanoo. ”Unen aikana valveillamme opitut piikit toistuvat spontaanisti. Sitä kutsutaan uudelleenaktivoimiseksi tai uudelleentoistoksi. 

"Synaptinen plastisuus, kyky muuttaa tai muotoilla, on edelleen paikallaan unen aikana ja se voi entisestään vahvistaa muistia edustavia synaptisia painokuvioita, mikä auttaa estämään unohtamisen tai mahdollistamaan tiedon siirtämisen vanhoista tehtävistä uusiin." 

Ryhmä havaitsi, että soveltamalla tätä lähestymistapaa keinotekoisiin hermoverkkoihin se auttoi verkkoja välttämään katastrofaalisen unohtamisen. 

"Se tarkoitti, että nämä verkostot voisivat oppia jatkuvasti, kuten ihmiset tai eläimet", Bazhenov jatkaa. "Ymmärtäminen, kuinka ihmisen aivot käsittelevät tietoa unen aikana, voi auttaa lisäämään muistia ihmisillä. Unirytmin vahvistaminen voi parantaa muistia. 

”Muissa projekteissa kehitämme tietokonemallien avulla optimaalisia strategioita unirytmiä parantavien ja oppimista parantavien stimulaatioiden, kuten kuuloäänien, soveltamiseen unen aikana. Tämä voi olla erityisen tärkeää, kun muisti ei ole optimaalinen, kuten kun muisti heikkenee ikääntymisen myötä tai joissakin olosuhteissa, kuten Alzheimerin taudissa.