Las redes neuronales aprenden mejor al imitar los patrones de sueño humanos

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Un equipo de investigadores de la Universidad de California en San Diego está explorando cómo las redes neuronales artificiales podrían imitar los patrones de sueño del cerebro humano para mitigar el problema del olvido catastrófico.

La investigación fue publicada en PLOS Biología Computacional.

En promedio, los humanos requieren de 7 a 13 horas de sueño cada 24 horas. Si bien el sueño relaja el cuerpo de muchas maneras, el cerebro aún se mantiene muy activo.

Cerebro activo durante el sueño

Maxim Bazhenov, PhD, es profesor de medicina e investigador del sueño en la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego.

“El cerebro está muy ocupado cuando dormimos, repitiendo lo que aprendimos durante el día”, dice Bazhenov. “Sleep ayuda a reorganizar los recuerdos y los presenta de la manera más eficiente”.

Bazhenov y su equipo han publicado trabajos previos sobre cómo el sueño construye la memoria racional, que es la capacidad de recordar asociaciones arbitrarias o indirectas entre objetos, personas o eventos. También protege contra el olvido de viejos recuerdos.

El problema del olvido catastrófico

Las redes neuronales artificiales se inspiran en la arquitectura del cerebro humano para mejorar las tecnologías y los sistemas de IA. Si bien estas tecnologías han logrado lograr un rendimiento sobrehumano en forma de velocidad computacional, tienen una limitación importante. Cuando las redes neuronales aprenden secuencialmente, la nueva información sobrescribe la información anterior en un fenómeno conocido como olvido catastrófico.

“Por el contrario, el cerebro humano aprende continuamente e incorpora nuevos datos al conocimiento existente, y por lo general aprende mejor cuando el nuevo entrenamiento se entrelaza con períodos de sueño para la consolidación de la memoria”, dice Bazhenov.

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El equipo utilizó redes neuronales de picos que imitan artificialmente los sistemas neuronales naturales. En lugar de comunicarse continuamente, la información se transmite como eventos discretos, o picos, en ciertos puntos de tiempo.

Imitar el sueño en redes neuronales

Los investigadores descubrieron que cuando las redes de picos se entrenaban en nuevas tareas con períodos ocasionales fuera de línea que imitaban el sueño, se mitigaba el problema del olvido catastrófico. De manera similar al cerebro humano, los investigadores dicen que “dormir” permite que las redes reproduzcan viejos recuerdos sin usar explícitamente datos de entrenamiento antiguos.

“Cuando aprendemos nueva información, las neuronas se disparan en un orden específico y esto aumenta las sinapsis entre ellas”, dice Bazhenov. “Durante el sueño, los patrones de picos aprendidos durante nuestro estado de vigilia se repiten espontáneamente. Se llama reactivación o repetición.

“La plasticidad sináptica, la capacidad de ser alterada o moldeada, todavía está presente durante el sueño y puede mejorar aún más los patrones de peso sináptico que representan la memoria, lo que ayuda a prevenir el olvido o permite la transferencia de conocimientos de tareas antiguas a nuevas”.

El equipo descubrió que al aplicar este enfoque a las redes neuronales artificiales, ayudó a las redes a evitar el olvido catastrófico.

“Significaba que estas redes podían aprender continuamente, como los humanos o los animales”, continúa Bazhenov. “Comprender cómo el cerebro humano procesa la información durante el sueño puede ayudar a aumentar la memoria en sujetos humanos. Aumentar los ritmos de sueño puede conducir a una mejor memoria.

“En otros proyectos, utilizamos modelos informáticos para desarrollar estrategias óptimas para aplicar estimulación durante el sueño, como tonos auditivos, que mejoran los ritmos del sueño y mejoran el aprendizaje. Esto puede ser particularmente importante cuando la memoria no es óptima, como cuando la memoria disminuye con el envejecimiento o en algunas condiciones como la enfermedad de Alzheimer”.

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