Le Reti Neurali Imparano Meglio Mimando i Modelli di Sonno Umano

Un team di ricercatori dell’Università della California – San Diego sta esplorando come le reti neurali artificiali possano mimare i modelli di sonno del cervello umano per mitigare il problema dell’oblio catastrofico.

La ricerca è stata pubblicata su PLOS Computational Biology.

In media, gli esseri umani richiedono da 7 a 13 ore di sonno ogni 24 ore. Mentre il sonno rilassa il corpo in molti modi, il cervello rimane molto attivo.

Cervello Attivo Durante il Sonno

Maxim Bazhenov, PhD, è un professore di medicina e ricercatore del sonno alla University of California San Diego School of Medicine.

“Il cervello è molto impegnato quando dormiamo, ripetendo ciò che abbiamo imparato durante il giorno”, dice Bazhenov. “Il sonno aiuta a riorganizzare i ricordi e a presentarli nel modo più efficiente”.

Bazhenov e il suo team hanno pubblicato lavori precedenti su come il sonno costruisca la memoria razionale, che è la capacità di ricordare associazioni arbitrarie o indirette tra oggetti, persone o eventi. Protegge anche contro l’oblio di vecchi ricordi.

Il Problema dell’Oblio Catastrofico

Le reti neurali artificiali traggono ispirazione dall’architettura del cervello umano per migliorare le tecnologie e i sistemi di intelligenza artificiale. Mentre queste tecnologie hanno raggiunto prestazioni sovrumane in termini di velocità computazionale, hanno una limitazione importante. Quando le reti neurali imparano in sequenza, le nuove informazioni sovrascrivono le informazioni precedenti in un fenomeno noto come oblio catastrofico.

“Al contrario, il cervello umano impara continuamente e incorpora nuove informazioni nella conoscenza esistente, e impara meglio quando la nuova formazione è intercalata con periodi di sonno per la consolidazione della memoria”, dice Bazhenov.

Il team ha utilizzato reti neurali a spike che mimano artificialmente i sistemi neurali naturali. Invece di essere comunicati continuamente, le informazioni vengono trasmesse come eventi discreti, o spike, in determinati punti temporali.

Mimare il Sonno nelle Reti Neurali

I ricercatori hanno scoperto che quando le reti a spike venivano addestrate su nuovi compiti con periodi offline occasionali che mimavano il sonno, il problema dell’oblio catastrofico veniva mitigato. Allo stesso modo del cervello umano, i ricercatori dicono che il “sonno” consente alle reti di riprodurre vecchi ricordi senza utilizzare esplicitamente i dati di addestramento vecchi.

“Quando impariamo nuove informazioni, i neuroni si attivano in un ordine specifico e ciò aumenta le sinapsi tra di loro”, dice Bazhenov. “Durante il sonno, i modelli di attivazione appresi durante lo stato di veglia vengono riprodotti spontaneamente. Si chiama riattivazione o riproduzione.

“La plasticità sinaptica, la capacità di essere alterata o modellata, è ancora presente durante il sonno e può ulteriormente migliorare i modelli di peso sinaptico che rappresentano la memoria, aiutando a prevenire l’oblio o a consentire il trasferimento di conoscenze da vecchi a nuovi compiti”.

Il team ha scoperto che applicando questo approccio alle reti neurali artificiali, aiutava le reti a evitare l’oblio catastrofico.

“Significava che queste reti potevano imparare continuamente, come gli esseri umani o gli animali”, continua Bazhenov. “Capire come il cervello umano elabora le informazioni durante il sonno può aiutare ad aumentare la memoria negli esseri umani. Aumentare i ritmi del sonno può portare a una migliore memoria.

“In altri progetti, utilizziamo modelli informatici per sviluppare strategie ottimali per applicare stimolazione durante il sonno, come toni udibili, che migliorano i ritmi del sonno e migliorano l’apprendimento. Ciò può essere particolarmente importante quando la memoria non è ottimale, come quando la memoria declina con l’invecchiamento o in alcune condizioni come la malattia di Alzheimer”.