Keinotekoiset hermoverkot oppivat paremmin, kun he viettävät aikaa olematta oppimassa ollenkaan

"Aivot ovat hyvin kiireisiä nukkuessamme ja toistavat sitä, mitä olemme oppineet päivän aikana", sanoi Maxim Bazhenov, lääketieteen professori ja unitutkija Kalifornian yliopiston San Diegon lääketieteellisestä korkeakoulusta. "Uni auttaa järjestämään muistot uudelleen ja esittämään ne tehokkaimmalla tavalla."

Aiemmassa julkaistussa työssä Bazhenov ja kollegat ovat raportoineet, kuinka uni rakentaa rationaalista muistia, kykyä muistaa mielivaltaisia ​​tai epäsuoria assosiaatioita esineiden, ihmisten tai tapahtumien välillä ja suojaa vanhojen muistojen unohtamiselta.

Keinotekoiset hermoverkot hyödyntävät ihmisen aivojen arkkitehtuuria parantaakseen lukuisia teknologioita ja järjestelmiä perustieteestä ja lääketieteestä rahoitukseen ja sosiaaliseen mediaan. Joillakin tavoilla ne ovat saavuttaneet yli-inhimillistä suorituskykyä, kuten laskentanopeutta, mutta epäonnistuvat yhdessä keskeisessä näkökohdassa: Kun keinotekoiset hermoverkot oppivat peräkkäin, uusi tieto korvaa aiemman tiedon, ilmiötä kutsutaan katastrofaaliseksi unohtamiseksi.

"Päinvastoin, ihmisen aivot oppivat jatkuvasti ja sisällyttävät uutta tietoa olemassa olevaan tietoon", sanoi Bazhenov, "ja se yleensä oppii parhaiten, kun uusi harjoittelu on lomiteltu unijaksojen kanssa muistin vahvistamiseksi."

Kirjoitetaan 18 numerossa PLOS Computational Biology, vanhempi kirjailija Bazhenov ja kollegat keskustelevat siitä, kuinka biologiset mallit voivat auttaa lieventämään katastrofaalisen unohtamisen uhkaa keinotekoisissa hermoverkoissa, mikä lisää niiden käyttökelpoisuutta useilla tutkimusintresseillä.

Tiedemiehet käyttivät spiking-hermoverkkoja, jotka jäljittelevät keinotekoisesti luonnollisia hermojärjestelmiä: Sen sijaan, että informaatiota välitettäisiin jatkuvasti, se välitetään erillisinä tapahtumina (piikkeinä) tiettyinä ajankohtina.

He havaitsivat, että kun pisteverkkoja koulutettiin uuteen tehtävään, mutta satunnaisilla off-line-jaksoilla, jotka matkivat unta, katastrofaalinen unohtaminen väheni. Kuten ihmisen aivot, tutkimuksen tekijät sanoivat, "nukkuminen" verkostoille antoi heille mahdollisuuden toistaa vanhoja muistoja käyttämättä nimenomaisesti vanhoja harjoitustietoja.

Muistoja edustavat ihmisen aivoissa synaptiset painot - kahden hermosolun välisen yhteyden vahvuus tai amplitudi.

"Kun opimme uutta tietoa", sanoi Bazhenov, "neuronit ampuvat tietyssä järjestyksessä ja tämä lisää niiden välisiä synapseja. Unen aikana hereillä olomme aikana 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."

Kun Bazhenov ja kollegat sovelsivat tätä lähestymistapaa keinotekoisiin hermoverkkoihin, he havaitsivat, että se auttoi verkkoja välttämään katastrofaalisen unohtamisen.

"Se tarkoitti, että nämä verkostot voisivat oppia jatkuvasti, kuten ihmiset tai eläimet. 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.

Yhteiskirjoittajia ovat: Ryan Golden ja Jean Erik Delanois, molemmat UC San Diegossa; ja Pavel Sanda, Tšekin tiedeakatemian tietojenkäsittelytieteen instituutti.