加州大學(xué)圣地亞哥分校的一組研究人員正在探索人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何模仿人腦的睡眠模式以減輕災(zāi)難性遺忘問題。

該研究發(fā)表在PLOS Computational Biology上。

平均而言，人類每 24 小時(shí)需要 7 至 13 小時(shí)的睡眠。雖然睡眠以多種方式使身體放松，但大腦仍然非?；钴S。

睡眠時(shí)活躍的大腦

Maxim Bazhenov 博士是加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)教授和睡眠研究員。

“我們睡覺時(shí)大腦非常忙碌，重復(fù)我們白天學(xué)到的東西，”Bazhenov 說。“睡眠有助于重組記憶并以最有效的方式呈現(xiàn)它們。”

Bazhenov 和他的團(tuán)隊(duì)之前發(fā)表了關(guān)于睡眠如何建立理性記憶的工作，理性記憶是記住物體、人或事件之間任意或間接關(guān)聯(lián)的能力。它還可以防止忘記舊記憶。

災(zāi)難性遺忘的問題

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從人腦的架構(gòu)中汲取靈感，以改進(jìn) AI 技術(shù)和系統(tǒng)。雖然這些技術(shù)以計(jì)算速度的形式成功地實(shí)現(xiàn)了超人的性能，但它們有一個(gè)主要的局限性。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按順序?qū)W習(xí)時(shí)，新信息會(huì)在一種稱為災(zāi)難性遺忘的現(xiàn)象中覆蓋以前的信息。

“相比之下，人腦不斷學(xué)習(xí)并將新數(shù)據(jù)整合到現(xiàn)有知識(shí)中，當(dāng)新訓(xùn)練與睡眠時(shí)間交織在一起以鞏固記憶時(shí)，它通常學(xué)得最好，”Bazhenov 說。

該團(tuán)隊(duì)使用人工模擬自然神經(jīng)系統(tǒng)的尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。信息不是連續(xù)通信，而是在特定時(shí)間點(diǎn)作為離散事件或尖峰傳輸。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中模擬睡眠

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接受新任務(wù)的訓(xùn)練并偶爾離線模仿睡眠時(shí)，災(zāi)難性遺忘的問題得到緩解。與人腦類似，研究人員表示，“睡眠”使網(wǎng)絡(luò)能夠在不明確使用舊訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下重播舊記憶。

“當(dāng)我們學(xué)習(xí)新信息時(shí)，神經(jīng)元會(huì)按特定順序放電，這會(huì)增加它們之間的突觸，”Bazhenov 說。“在睡眠期間，我們?cè)谇逍褷顟B(tài)下學(xué)到的尖峰模式會(huì)自發(fā)地重復(fù)。這稱為重新激活或重播。

“突觸可塑性，即改變或塑造的能力，在睡眠期間仍然存在，它可以進(jìn)一步增強(qiáng)代表記憶的突觸權(quán)重模式，有助于防止遺忘或使知識(shí)從舊任務(wù)轉(zhuǎn)移到新任務(wù)。”

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過將這種方法應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以幫助網(wǎng)絡(luò)避免災(zāi)難性遺忘。

“這意味著這些網(wǎng)絡(luò)可以像人類或動(dòng)物一樣不斷學(xué)習(xí)，”Bazhenov 繼續(xù)說道。“了解人腦在睡眠期間如何處理信息有助于增強(qiáng)人類受試者的記憶力。增強(qiáng)睡眠節(jié)奏可以提高記憶力。

“在其他項(xiàng)目中，我們使用計(jì)算機(jī)模型來制定最佳策略，以在睡眠期間應(yīng)用刺激，例如聽覺音調(diào)，從而增強(qiáng)睡眠節(jié)奏并改善學(xué)習(xí)。當(dāng)記憶力不佳時(shí)，例如當(dāng)記憶力因衰老或阿爾茨海默氏病等疾病而下降時(shí)，這一點(diǎn)可能尤為重要。”