Ученые предложили по-новому взглянуть на роль сна. Если раньше его главным образом считали временем отдыха и восстановления после дневной нагрузки, то теперь исследователи предполагают, что сон помогает мозгу сохранять способность адаптироваться к изменениям, справляться со стрессом и продолжать обучение. Работа опубликована в журнале Brain Medicine.
Авторы считают, что именно эта функция может объяснять, почему сон сохранялся на протяжении сотен миллионов лет эволюции, несмотря на повышенную уязвимость животных перед хищниками.
Профессор Сяохуэй Ван из Чанчуньского института прикладной химии Китайской академии наук отметил, что сон нельзя рассматривать только как «ночную подзарядку». По его словам, если представить мозг сложной динамической сетью, сон выглядит как специально предусмотренный период, необходимый для восстановления и перестройки системы.
Исследователи разделяют три понятия, которые часто смешивают при обсуждении сна: стабильность, устойчивость и выносливость. Стабильность означает способность мозга сохранять работу при небольших помехах. Устойчивость позволяет функционировать при шуме, постепенных изменениях и частичных повреждениях. Выносливость подразумевает способность перестраиваться после нарушений и со временем возвращаться к нормальной работе. По мнению авторов, именно эту функцию сон поддерживает в сети, состоящей примерно из 86 миллиардов нейронов.
В исследовании отдельно рассмотрены две основные стадии сна. Во время медленного сна, особенно его глубокой фазы, активность мозга снижается до ритмов ниже одного герца. В этот период корректируются связи между нейронами, сформированные во время обучения, что помогает избежать перегрузки.
Во время REM-сна активность мозга, наоборот, возрастает и становится менее синхронной. Исследователи полагают, что эта стадия помогает формировать новые модели активности и ослаблять слишком жесткие нейронные связи. Особое значение имеет переход между фазами, когда мозг достигает максимальной метастабильности и легче переключается между различными режимами работы.
Еще один важный процесс происходит во время глубокого сна без быстрых движений глаз. В этот период глифатическая система расширяет пространство между клетками и выводит продукты обмена веществ, включая бета-амилоид — белок, связанный с болезнью Альцгеймера. Одновременно продолжается перестройка нейронных связей.
Ведущий автор исследования Лонгвэй Ян отметил, что сеть, которая занимается только оптимизацией, со временем может зайти в тупик, а сон, вероятно, помогает избежать такого состояния.
Авторы считают, что предложенная концепция может оказаться полезной и при создании искусственного интеллекта. Современные нейросети сталкиваются с катастрофическим забыванием, переобучением и насыщением сети, из-за чего новые знания могут вытеснять старые.
В статье приведены результаты исследований, согласно которым технология Sleep Replay Consolidation помогла искусственным нейронным сетям сохранять уже освоенные навыки при обучении новым задачам. Другие работы также показали улучшение работы после внедрения автономной активности, имитирующей сон. Еще одно исследование выявило, что непрерывное обучение приводит к нестабильной активности, тогда как осциллирующий шум, напоминающий медленноволновой сон, восстанавливает нормальную работу сети.
Профессор Хаохонг Ли из Медицинской школы Чжэцзянского университета заявил, что воспроизведение, перенормализация, обрезка связей и введение шума оказываются эффективными как для мозга, так и для машин. По его словам, любой обучающейся системе, работающей в меняющихся условиях, могут требоваться специальные офлайн-периоды для поддержания устойчивости.
Авторы предполагают, что в будущем искусственный интеллект сможет чередовать режимы, напоминающие стадии NREM и REM: одни будут укреплять существующие знания, другие — перестраивать накопленную информацию. Они также предлагают оценивать подобные системы не только по точности, но и по способности восстанавливаться после сбоев.
Исследователи отмечают, что нарушения сна часто сопровождают болезнь Альцгеймера, шизофрению и эпилепсию. По данным обзора, эти заболевания связаны с нарушением работы нейронных сетей и расстройствами сна. Авторы подчеркивают, что их работа представляет собой научную гипотезу, объединяющую существующие результаты, и требует дальнейшей экспериментальной проверки.
