Сны разума и ИИ: чему учится наш мозг в процессе сна, и что общего у сновидений с работой нейросетей?
Собственные сны удивляют людей всю их историю как разумного вида. Порой сны похожи на нашу обычную жизнь, порой они смешивают её элементы в очень странных сочетаниях, а порой они и вовсе представляют собой сюрреалитические миры, безумию которых позавидовал бы сам Сальвадор Дали. Свежие исследования показали, что у наших сновидений может быть довольно много общего с тем, как обучаются нейросети — и, возможно, именно это и является их важнейшим функционалом.
Сны видят многие высокоорганизованные животные, отнюдь не только люди. Кошки и собаки нередко демонстрируют это очень наглядно для хозяев, дёргая во сне лапами и явно обозначая, что им снится что-то оживлённое. Увы, до сих пор учёные не сумели докопаться до достоверного объяснения причин, почему это происходит. Исследователи расходятся во мнениях относительно того, являются ли сновидения побочным эффектом иных функций мозга — или же они служат некой собственной, физиологически, психически и эволюционно обусловленной цели.
Наглядная демонстрация поступления нейронных импульсов к мышцам при сновидении кота: можно предположить, что ему снится охота или противостояние с кем-то опасным
Существует ряд теорий, пытающихся объяснить сновидения. К ним относятся идеи о том, что сны необходимы для регуляции нашего эмоционального здоровья (привет дедушке Фрейду), что они помогают нам психологически практиковаться при столкновении с далеко не всегда предсказуемыми и приятными явлениями реального мира. Наиболее популярная современная теория состоит в том, что сны связаны или даже напрямую провоцируются процессами обработки и хранения памяти в природной нейросети нашего мозга.
Немного инфографики про современные представления о работе мозга и организма человека во сне
Автор недавней статьи в Patterns, американский нейропсихолог Эрик Хоэл из Висконсинского университета в Мадисоне, называет свою идею «гипотезой переобученного мозга».
Переобучение, переобученность, переподгонка (англ. overfitting) — явление в машинном обучении, когда построенная модель хорошо объясняет примеры из обучающей выборки, но неважно работает на примерах, не участвовавших в обучении (на примерах из тестовой выборки). Это связано с тем, что в процессе обучения в предложенной ИИ выборке обнаруживаются некоторые случайные закономерности, которые отсутствуют в генеральной совокупности. В результате модель запоминает многие паттерны на основе предложенных для обучения массивов данных вместо того, чтобы научиться подмечать действительные закономерности.
Наглядный пример того, как может работать переобученность ИИ
На идею Эрика Хоэла натолкнул странный феномен, отмеченный на пике карантинных мер во время пандемии Covid-19 в 2020–21 годах. Многие люди, оказавшиеся в режиме самоизоляции, отмечали неожиданное повышение яркости и причудливости снов: в Твиттере даже завирусился хештег #pandemicdreams, «пандемические сны». Также известно, что человек с большей вероятностью запомнит сон, если он просыпается не сам по себе, а принудительно, по звонку будильника или растормошённый кем-то ещё. Если верить данным, которые в наши дни предоставляют даже фитнес-браслеты, каждую ночь мы погружаемся в несколько фаз быстрого сна — которые сейчас достаточно уверенно связывают с процессом сновидений. Более того, если целенаправленно стараться вспоминать и записывать сны — это начинает получаться всё лучше и лучше.
Быстрый сон с наибольшей концентрацией сновидений также известен как парадоксальный или REM-сон (rapid-eye movement, сон с быстрым движением глазных яблок)
Гипотеза Эрика Хоэла частично основана на процессе обучения нейронных сетей, стремящихся найти закономерности в больших наборах данных. Им в процессе обучения часто дают данные, похожие, но не идентичные данным, которые они будут анализировать позже. Практические данные часто намеренно засоряются лишним шумом и хаосом. Это делается для того, чтобы предотвратить это самое «переобучение»: чтобы нейросеть не стала слишком «узкоспециализированной» и неспособной идентифицировать и анализировать значительно более широкую картину при работе с реальными массивами данных.
Ещё одна популярная визуализация переобученности
Новая гипотеза Эрика Хоэла утверждает, что наш мозг — как природная, биологическая нейросеть — делает нечто подобное во время сновидений. Галлюциногенная, деконструирущая категории и паттерны, сказочная материя снов, по его мнению, позволяет нашему мозгу вводить в обработку «искажённые», «испорченные» сенсорные данные. И всё это отнюдь не баг, а вполне себе фича, выработанная миллионами лет проб, ошибок и эволюционного естественного отбора. Впрочем, сон нужен далеко не только для этого, и его фазы чередуются не случайно: современные данные указывают на то, что во время сна без сновидений происходит буквально отдых организма и мозга, очистка нервной системы от вредных продуктов метаболизма и восстановление клеток —, а вот во время быстрого сна происходит некоторая до сих пор не вполне понятная форма обработки полученных ранее данных в форме сновидений. Что, вероятно, влияет на улучшение производительности и обучение нейросети внутри наших черепов.
Вероятно, уже наши самые ранние предки-приматы видели странные сны — и это помогало им приспосабливаться к жизни в очень опасном реальном мире
Представляя нашему спящему разуму крайне причудливую оптику на усвоенный во время бодрствования опыт материального мира, наш мозг тем самым не даёт нам слишком зацикливаться на узкоспециализированных, привычных и давно отработанных задачах. Тем самым он делает нас более способными к обобщениям —, а значит, к более адекватному поведению тогда, когда мы сталкиваемся с чем-то неожиданным, непривычным и странным. Доктор Хоэл резюмирует это довольно поэтично, утверждая: «Сны существуют для того, чтобы удерживать нас от чрезмерного прогибания под изменчивый мир» (Dreams are there to keep you from becoming too fitted to the model of the world). Если гипотеза Эриа Хоэла верна, то те наши предки, которые не видели странных снов, чаще оказывались неспособны на адекватные реакции в незнакомых ситуациях, реже проявляли соображаловку и изобретательность — и потому чаще погибали или оказывались неконкурентоспособными партнёрами, реже оставляя свой генетический материал потомкам. Мы — наследники тех обезьян и австралопитеков, которые видели наиболее странные и упоротые сны.
Нейросетевой клип на песню Sabaton, неплохо воспроизводящий расплывчатость снов
Доктор Хоэл предполагает, что доказательства его гипотезы уже отчасти существуют. Медицинские эксперименты показали, что многократное выполнение новой задачи во время бодрствования — статистически достоверный способ добиться того, что вы будете видеть примерно то же самое, но в причудливых формах, во сне следующей ночью. Он предполагает, что подобные действия активизируют защиту бионейросети нашего мозга от переобучения — и в результате появляются странные сны.
«Дезинтеграция постоянства памяти» Сальвадора Дали 1952 года: знаменитый сюрреалист пытался передать свои впечатления от первого этапа развития компьютерной техники и квантовой физики
Гипотеза доктора Хоэла не обязательно исключает другие гипотезы о сне или сновидениях, которые в настоящее время также имеют достаточное количество эмпирических подтверждений. Впрочем, он предлагает несколько способов проверить предположения, содержащиеся в его гипотезе. Так, воздействия лишения сна на способность к запоминанию по его выкладкам должна отличаться от его воздействия на способности мозга к обобщению. Хоэл предполагает, что качественный эксперимент по изучению влияния лишения сна на способность лабораторных мышей и крыс осмыслять источники страха может подтвердить его гипотезу.
Да вы уже задолбали, как бы говорит нам лабораторная крыса
Отслеживание синаптических изменений в процессе сновидения также может оказаться перспективным направлением подтверждения или опровержения его гипотезы. Также Эрик Хоэл предполагает, что искусственные подобия сновидений, вроде виртуальной реальности, могут давать схожие эффекты по борьбе с негативными эффектами переобучения. В качестве пока что умозрительного эксперимента он предлагает следующий вариант: слишком привыкшего к рутинным полётам гражданской авиации пилота можно помещать в виртуальной реальности в странные и непредсказуемые условия, в которых ему придётся действовать не по привычным процедурам и регламентам.
Ну, а что, гулять так гулять!
Отчасти к гипотезе Эрика Хоэла примыкают недавние (октябрь 2022 год) результаты исследований нейробиологов во главе с Анной Шапиро из университета Пенсильвании, в которых они сумели научить имитирующую человеческий мозг нейросеть… спать. Им удалось получить результаты, согласно которым гиппокамп и неокортекс в процессе сна мозга осуществляют интересные процессы обмена и обработки данных.
Моск как он есть
Гиппокамп, довольно древняя часть мозга, располагающаяся в его центре, осуществляет функции контроля внимания к поступающим данным от сенсоров (выделяет фигуру из фона, если использовать термины гештальт-терапии), кратковременной памяти и перевода данных из «ОЗУ» в долговременную память. Неокортекс — новая зона у самой поверхности мозга с извилинами, которая, собственно, и позволяет нам быть разумными существами с интернетом и прочими плюшками. Здесь и хранится долговременная память, и осуществляются сложные процессы вроде вербализованного мышления, речи и письма.
Ещё немного об устройстве человеческого мозга
Командой нейробиологов университета Пенсильвании была создана нейросетевая модель человеческого мозга для имитации функций обучения и памяти, которая включала имитацию гиппокампа как центра обработки новых данных, свежих воспоминаний и впечатлений, и неокортекса, отвечающего за уровни осознания, глубокой обработки данных и долговременного сохранения воспоминаний. Команда Анны Шапиро провела несколько симуляций сна, которые показали: во время медленного сна искусственный мозг в основном анализировал недавние инциденты и новые данные в гиппокампе, а во время быстрого сна он перекачивал их в области неокортекса для более глубокой обработки, упорядочивания и сохранения информации.
Сможем ли мы когда-нибудь напрямую сопрягать мозг с искусственными нейросетями?
То есть, во время медленного сна искусственный гиппокамп фактически обучал искусственный же неокортекс, а во время фазы быстрого сна тот активируется, воспроизводил и обрабатывал то, что узнал. Чередование двух стадий сна в этом эксперименте показало своё большое значение для формирования воспоминаний. Правда, теперь осталась самая малость: подтвердить результаты на живых человеческих мозгах. Чем команда, собственно, и планирует заняться: следующим шагом Анна Шапиро и коллеги назвали проведение экспериментов, чтобы понять, действительно ли быстрый сон оформляет свежие воспоминания в долговременную память и какое значение это может иметь для интеграции новой информации в существующие знания. Гипотеза Эрика Хоэла добавляет к этой идее существенные детали того, как именно формируются долговременные воспоминания из свежего опыта — и что прошитое в нашем мозгу их превращение в причудливые, сюрреалистичные события вместо строгого воспроизводства может иметь очень важное значение как для нашего сознания, как такового, так и для нашего выживания и развития как вида.
Древо прокачки мозгов позвоночных
Если гипотеза приживётся, мы можем ожидать, что будущие исследования будут пытаться подтвердить или опровергнуть сделанные ею предсказания. До тех пор мы можем только строить догадки о возможных достоинствах и недостатках этой идеи в рамках того, что мы уже знаем об истине. Безусловно, понятно одно: сон есть крайне важная процедура для нашего организма в целом и нашего мозга в частности. Недосып, особенно систематический, очень вреден и для тушки, и для кукухи — автор тому живой свидетель. Конечно, многие из нас видят в постоянном недосыпе даже некую доблесть, сам был грешен, но лучше озаботиться приведением сна в норму до того, как организм будет вынужден намекнуть на необходимость этого самым прямым, неприятным и несвоевременным образом.
Доктор Ливси не даст соврать, кек
В общем, коллеги, сон — это полезно, как с точки зрения физиологии, так и с точки зрения работы нейросетей. Пренебрегать им вредно, а спать как следует — хорошо и правильно.
Выиграй телескоп и другие призы в космическом квизе от RUVDS. Поехали?
