Сон может ощущаться как кнопка паузы. Тело замедляется, глаза закрываются, и внешний мир на несколько часов исчезает. Ученые долгое время объясняли сон как время отдыха или возможность для мозга «очиститься» после напряженного дня.

Новые данные свидетельствуют о том, что сон выполняет более важную функцию, выходящую за рамки простого отдыха. Это может помочь мозгу оставаться достаточно гибким, чтобы восстанавливаться после стресса, адаптироваться к изменениям и продолжать учиться на протяжении всей жизни. Результаты исследования были опубликованы в журнале Brain Medicine.

Авторы утверждают, что эта способность может объяснить, почему сон сохранился на протяжении сотен миллионов лет эволюции, несмотря на то, что делает животных уязвимыми для хищников.

«Мы хотели отойти от представления о том, что сон — это просто перезарядка батареи за ночь», — сказал профессор Сяохуэй Ван из Чанчуньского института прикладной химии Китайской академии наук. «Если рассматривать мозг как сложную динамическую сеть, то сон начинает напоминать нечто, специально разработанное опытным инженером, — запланированный промежуток времени, в течение которого система может восстанавливаться и реорганизовываться».

Исследователи отмечают, что во многих дискуссиях о сне смешиваются три разных понятия: стабильность, устойчивость и выносливость. Хотя они звучат похоже, описывают разные способности. Стабильность означает, что мозг может продолжать работать, несмотря на небольшие помехи. Устойчивость означает, что он может продолжать функционировать даже при воздействии шума, постепенных изменений или частичного повреждения.

Понятие устойчивости идет дальше. Оно описывает способность мозга преодолевать трудности, реорганизовываться и со временем восстанавливать нормальные функции. Авторы утверждают, что сон играет важнейшую роль в поддержании этой устойчивости в сети, состоящей примерно из 86 миллиардов нейронов.

В статье описываются две основные стадии сна как пары с разными обязанностями. Во время фазы медленного сна (NREM-сна), особенно глубокого медленноволнового сна, активность мозга замедляется до ритмов ниже одного герца.

В этот период происходит корректировка связей между нейронами, которые укрепились в процессе обучения, чтобы предотвратить перегрузку мозга. Фаза быстрого движения глаз, или REM-сон, использует другой подход. Мозговая активность становится более интенсивной и менее синхронизированной. Исследователи предполагают, что фаза быстрого сна помогает мозгу исследовать различные модели активности и ослабить связи, которые стали слишком жесткими.

Переход между этими двумя стадиями может быть особенно важен. По мнению авторов, именно в эти моменты мозг достигает наивысшего уровня метастабильности. Это позволяет организму лучше переключаться между различными режимами активности. Глубокий сон без быстрых движений глаз также поддерживает еще один важный процесс.

На этом этапе глифатическая система головного мозга расширяет пространство между клетками и удаляет продукты метаболизма, включая бета-амилоид, белок, связанный с болезнью Альцгеймера. В процессе перестройки нейронных связей в головном мозге одновременно происходит удаление продуктов жизнедеятельности.

«Сеть, которая только оптимизируется, может загнать себя в тупик. Сон, по-видимому, защищает от этого, помогая выбраться из него», — сказал ведущий автор исследования Лонгвэй Ян.

Авторы считают, что эти идеи могут выйти за рамки биологии. Современные системы искусственного интеллекта часто сталкиваются с проблемами катастрофического забывания, переобучения и насыщения сети. При обучении новым задачам они могут терять знания, полученные при выполнении предыдущих. В статье приводятся результаты нескольких исследований, показывающих, что методы, основанные на использовании сна, могут помочь.

Технология Sleep Replay Consolidation позволила искусственным нейронным сетям сохранять старые навыки, одновременно осваивая новые. Другие исследователи сообщили об аналогичных улучшениях в работе нейронных сетей после введения активности, имитирующей сон, в автономном режиме.

Другое исследование показало, что сети, подвергавшиеся непрерывной тренировке, развивали нездоровую активность до тех пор, пока осциллирующий шум, имитирующий медленноволновой сон, не восстанавливал стабильное поведение.

«Самое поразительное — это сближение», — сказал профессор Хаохонг Ли из Медицинской школы Чжэцзянского университета, чьи исследования сосредоточены на гомеостазе сна и нейронных колебаниях. «Воспроизведение, перенормализация, обрезка и введение шума оказываются решениями как в работе мозга, так и в работе машин. Мы не утверждаем, что серверная ферма спит. Мы говорим, что любой системе обучения, работающей в меняющемся мире, могут потребоваться структурированные офлайн-периоды для сохранения устойчивости».

Авторы предполагают, что будущие системы искусственного интеллекта могли бы чередовать периоды, подобные фазе NREM, которые укрепляют существующие знания, и периоды, подобные фазе REM, которые реорганизуют информацию. Вместо того чтобы оценивать производительность исключительно по точности, они утверждают, что исследователям следует также измерять, насколько хорошо система восстанавливается после сбоя.

Эта идея также может помочь объяснить, почему нарушения сна часто сопровождают такие заболевания, как болезнь Альцгеймера, шизофрения и эпилепсия. Согласно обзору, эти расстройства связаны с хрупкостью нейронных сетей головного мозга и нарушениями сна.

Авторы предполагают, что методы лечения, направленные на усиление медленноволнового сна, в конечном итоге могут улучшить способность мозга к восстановлению, а не просто обеспечить более качественный ночной сон.

Исследователи также подчеркивают, что это всего лишь точка зрения, а не доказательство. Их предложение объединяет существующие результаты в единую структуру, которую можно проверить в ходе будущих экспериментов.

Изменение фаз сна должно улучшить восстановление после нарушений, специфически изменить показатели мозговой активности и направить воспроизведение сигнала на наиболее уязвимые участки нейронной сети.

Вместо того чтобы рассматривать сон как период, когда мозг отключается, эта точка зрения утверждает, что именно в эти тихие часы мозг может выполнять свою самую важную работу. Во время сна мозг сохраняет свою способность адаптироваться, восстанавливаться и продолжать функционировать в меняющемся мире.