睡眠中の脳が「オフライン」状態で複数の経験を処理する方法
(news.yale.edu)- Yaleの研究チームは、マウス実験で、睡眠中の海馬が1日の間に経験した約15個の無関係な経験を、1秒未満の単一イベント内にまとめて処理できることを確認した
- この現象は海馬の生成的コーディングと関連しており、脳が異なる経験表現の間を高速に切り替え、複数の情報フローを並列に扱えるようにする
- 実験では、マウスが15の空間的文脈を自由に移動した19時間30分にわたり海馬ニューロンの活動を記録し、長い睡眠区間も含まれていた
- 睡眠中には、異なる経験の時間圧縮された表現が同じプリプレイ／リプレイイベント内で交互に現れ、独立した経験同士が1秒未満のより長いエピソードとしてつながり得る
- 最初の経験と最も最近の経験が最も強く表現される系列位置効果も観察され、人がリストの最初と最後の項目をよりよく記憶する現象と似た手がかりとなった
海馬は1日の経験を睡眠中にまとめて処理する
- 人や動物は毎日多くの経験に遭遇し、それを記憶する。睡眠中には脳のニューロンアンサンブルがこれらの経験をリプレイし、記憶として固定化する
- 同じニューロンアンサンブルは将来の経験をプリプレイすることもあり、その後の新しい経験をより速く記憶としてエンコードすることに関与する
- 既存研究の大半は、動物が1つまたは少数の連続した経験をする状況に焦点を当てており、脳が睡眠中に多くの経験を同時に処理する仕組みは明確ではなかった
- Yaleの研究チームは、記憶と学習を担う海馬で生成的コーディング能力を確認した。この能力により、1日の間に生じた約15個の無関係な経験表現を、睡眠中に1秒未満のフレーム内にまとめられる
- 研究結果はNature Neuroscienceに掲載された
実験設計と睡眠中の活動
- マウスは1日の間に15の異なる空間的文脈を自由に移動し、研究チームは19時間30分にわたって海馬ニューロンの活動を記録した
- 記録時間には長い睡眠区間が含まれていた
- 睡眠区間は、経験のプリプレイとリプレイという観点から、動物の脳のオフライン活動を調べるために使われた
- データ分析により、海馬が睡眠中にネットワーク容量と効率を高め、複数の経験表現を干渉なしに処理できるようにする複数のコーディング方式が特定された
- 同じ睡眠中のプリプレイ／リプレイイベント内で、2つ以上の異なる経験に由来する時間圧縮表現の間を点滅するように切り替えることができる
- この特徴は、睡眠中の干渉のない並列情報処理能力を大きく高める
- 独立した経験は、発生順序の逐次的な側面を含む、より長いプリプレイ／リプレイエピソードにまとめられ得る
- 1日の経験の順序が、1秒未満のリプレイエピソード内に圧縮される
干渉を減らし記憶を区別する仕組み
- 日常では新しい文脈や出来事が次々に生じ、各経験は互いに大きく干渉せずに区別されてエンコードされ、後で記憶される必要がある
- George Dragoiは、脳がこの問題をどのように解決しているのかは分かっておらず、これを直接扱う実験は事実上不足していたと述べた
- 計算モデルでは、複数の経験にさらされると、新しい経験と古い経験の脳内表現の間に破滅的干渉が生じ、以前の経験を忘れてしまう可能性があると考えられてきた
- 今回の結果は、海馬が異なる情報の連鎖を並列に処理しながら、意味を分離したり結合したりできるコンピューターのような処理能力を持つという説明を裏付ける
系列位置効果と内部生成表現
- 睡眠中の表現過程では系列位置効果も確認された
- 最初の経験と最も最近の経験が、動物の睡眠中に最も強く表現された
- これは、人が出来事や項目の連続の中で最初と最後をよりよく思い出す記憶現象に似ている
- Dragoiは、確認された脳メカニズムは、記憶、想像、洞察のように、世界に対する内部生成表現を形成し表現する方法に関係していると述べている
1件のコメント
Hacker Newsの意見
学部時代に始めて大学院では完全に習慣化していたやり方だが、数学の問題セットが出たら夜に1〜2時間ほど 正面から取り組んでみて、行き詰まったらすぐ先へ進み、結局あまり多くは解けなかった
そのあと少なくとも7.5時間ほど眠り、朝にコーヒーを飲んでからまた見ると、かなり多くの問題が解けたり、少なくとも進展があったりすることが多かった
もともと朝型なので偏りはあるかもしれないが、似たような戦略を使う人を何人も知っている
解こうとはせず、翌朝になるとたいてい実行可能な解法が思い浮かんでいる。実生活ではよく効くが、残念ながら面接では通用しない
以前、1つのチケット/作業を完全に終えないと次に進めない職場で働いていたが、いろいろな理由でまったく愚かな方針だった
一方で午後2時ごろになると、脳が 暗記モード に切り替わるようで、朝より問題を解くのは大変だが、読んだ内容はずっと多く覚えていた
それで学習活動をこの傾向に合わせて組み立てたし、46歳になった今でもだいたい同じように感じる。難しい問題はできるだけ翌朝まで待つと、前日の夕方には届かなかった解法が簡単に思い浮かぶことが多い
読書は主に夜にしたいが、家族のいる生活では時間の選択肢があまりない
海馬リプレイ（hippocampal replay） が自分の博士論文のテーマだった。主にげっ歯類で研究されてきたが、その間に人間を対象にした研究もずっと増えた
私の博士課程の提案は、認知疲労は適応的な構成物だというものだった。ブドウ糖が枯渇してもう機能できないという信号というより、行為主体に「オフライン」になってリプレイしろと提案するものに近い、という見方だ
共同研究者2人が、リプレイに関するQ-learning方程式を整理した非常に影響力のある論文を書いた: https://www.nature.com/articles/s41593-018-0232-z
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22357941/
ハチドリの海馬形成体は、これまで調べられたどの鳥よりも終脳体積に対してはるかに大きいという。海馬の空間「計算」能力が、ハチドリの一種の「GeoPU」でブドウ糖を消費しながら、ベクトル空間ではなく3次元の体積空間で考えることを可能にし、餌場の位置と時間の記憶、ホバリング時のナビゲーションを精密にしているのだと思う
「生きるために計算し、計算するために生きる」という感じだ。GPU界隈の人はハチドリを研究すべきだ。特にセンサー認識を伴うAI経路探索に役立つかもしれない。一部のハチドリはチリからカナダまで約2,000マイル移動する
https://www.hummingbirdsplus.org/nature-blog-network/ruby-th...
この生き物がどれほど頻繁に空中給油を必要とするか、そして2,000マイルにわたってすべての餌場チェックポイントを最も効率よく結ぶ経路を把握しなければならないことを考えるべきだ
https://i.imgur.com/3MvzmX9.png
ハチドリは、外部から摂取したブドウ糖や果糖だけでも、エネルギー消費の大きいホバリングを完全に維持できる
https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111...
食性、行動、代謝生理の特化によって純エネルギー摂取を高め、哺乳類では及ばないレベルで果糖とブドウ糖の両方を活用する。瞬発的な加速と精密な高度制御を行う体のために、海馬でどれほど多くの波が巡っているのか想像してみる価値がある
ハチドリは本当に驚くべき生き物で、マウスよりハチドリの海馬形成体を通じたブドウ糖調節を研究すべきだ
第二次世界大戦中、アメリカ海軍のレイモンド・スプルーアンス提督は、危機の中でも非常に冷静であることで有名で、戦闘中に最高の状態を保つために十分な睡眠を非常に重視していた。
他の将校たちが36〜48時間も起き続けているときでも、彼は重い責任をきちんと果たすには最高の状態でいなければならないと理解しており、小説を読んで眠っていた。
また海の上でも1日に8マイル以上歩き、船内を回りながら他の将校たちとその日の懸案について議論することもあった。歩くことは、頭の中で問題を転がしたり、潜在意識が働くための「空間」を与えるためにぼんやり考えるのに向いている。
自分にもそんな能力があればと思う。十分に眠れないと成果がどれほど悪化するかをよく知っているからだ。
結局、最悪な両方を味わうことになる。早く寝ようとしても頭の歯車が回り続けて眠れず、眠れないという事実にいら立ってさらに眠りにくくなる。
いっそあと4時間起きていたほうが何かできただろうに、結局は同じように疲れたまま、眠れないことだけを反芻することになる。
一方では、何かを1時間ほどまとまって聴けるほとんど唯一の時間でもあるが、他方では言われているように、心が働くための空間を与えることに使ったほうがよいのかもしれない。
幸運にも無意識を中心に生きられるようになり、意識的に無意識が人生を導くように任せると決めた。
この考えはLe Corbusier[1]から来ていて、彼は自分の作業プロセスを、プロジェクトの詳細を集める段階、別のことをしながら無意識にプロジェクトを処理させる段階、最後に座ってプロジェクトを完成させる段階として説明していた。
欠点は、ひらめきがいつ来て、いつ正確に終えられるのかがわからないことだ。そのため、整理整頓をきちんとし、すべてを記録しておくことが重要だと思う。
また、見かけ上は無関係な領域で可能な解決策を探るための時間と空間も与えてくれる。プロジェクト作業のための一種の禅ナビゲーションだ。
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Le_Corbusier
[2] https://www.goodreads.com/quotes/667285-he-had-a-tremendous-...
作家や詩人が描写される仕方、つまりアイデアがやって来るのを待ち、ときには待ち続け、ときには偶然の出来事からひらめくという感じを思い出した。
ずっと気になっているが、はっきりした研究を見つけられていない点として、精神的であれ身体的であれ、学習やトレーニングの直後に起きたまま休むより、すぐ寝るほうが最適なのかということがある。
睡眠が記憶を統合し、疲労を軽減するうえで身体が取りうる最高の状態なら、できるだけ多く睡眠状態に入ろうとするのは論理的に見える。
難しいのは薬なしで望むときに眠ることだが、すばやく眠りに入る能力は学べると思う。
https://www.inc.com/melanie-curtin/want-to-fall-asleep-faste...
たいていヨガのアーサナ修練の最後には、ときにはポーズの合間にも、シャヴァーサナを行って、開かれた気づきの中で休む。私の先生は、これがクラスで最も重要な部分で、すべてが統合されるようにしてくれるといつも言っていた。
Muay Thaiを始めたとき、クラスで学んだことをかなり「失ってしまう」感じがあり、家に帰るとすぐシャヴァーサナをするようになった。眠りに落ちる直前のような状態で、脳がクラスの内容を再生した。
コーディングの問題で本当に行き詰まっているときも、10〜15分シャヴァーサナをして戻ると助けになる感じがする。
認知的疲労は、人々がオフラインになって記憶を再生するように偏らせる適応的な構成物であり、学習／報酬の観点から意思決定理論的に最適だと提案した。
https://mayank-agrawal.com/papers/AgrawalMattarCohenDaw21.pd...
目を閉じて心を漂わせる。眠りに入る前の段階に似ている。たいていはこのマインドワンダリングだけで十分だが、ときどき眠ってしまうこともあり、どちらの状態も役に立つ。
学年は夏休みのように長く休むより、1年を通して行いつつ、もっと頻繁に休みを入れる形であるべきだ。
生徒たちに昼寝の時間のようなものがあればかなりよいのではないか。もしかすると、どこかの私立学校がやるかもしれない。
年月を重ねるうちに、ある問題に行き詰まったとき、それが眠れば解けるタイプの行き詰まりかどうか分かるようになった。
今では、まったく見当がつかないことでも、朝になればたぶん解けるという確信を持って眠りにつける
そうでなければ、なぜそうでないのかを問い直したり、組み替えたり、「ロードマップ」より一段下の「ウィッシュリスト」に移す。
創造性は熟成、つまりいったん手放して、その間にどんな再構成や新しいアイデアが浮かぶかを見る過程から恩恵を受ける
読んだ直後は何も覚えていないのに、起きると魔法のように記憶の中に現れている。とても役に立つ
関連資料: The Committee of Sleep: How Artists, Scientists, and Athletes Use Dreams for Creative Problem-Solving – https://en.wikipedia.org/wiki/The_Committee_of_Sleep
車の運転も似ている。一日中壁に頭をぶつけ続けて諦め、ぼんやりした状態で家まで運転している途中に、解法や少なくとも見落としていた問題が思い浮かぶ
The Sleep Solution や Why We Sleep でもこの話が扱われている。また、レム睡眠がこの体験の中核だとも主張している。
いちばん役に立ったたとえは、レム睡眠がキャッシュのデータをハードディスクに書き込む過程だというものだった。その過程でデータが浄化され、付着していた感情的な過負荷が減る。
たとえば大きな悲しみを経験したなら、それを夢に見ることが乗り越える過程で不可欠になる。
睡眠薬やアルコールを使うとレム睡眠が抑制される
WW2は十分な睡眠の重要性を示す代表的な事例であるべきだ。双方とも、何日も眠れていない指導者たちのせいでいくつものミスがあった。
栗田提督はサマール沖海戦で優位を押し切れたかもしれないし、ハルゼー提督は機動部隊が遭遇した二つの台風を避けられたかもしれない。もちろん、戦争の圧倒的な重圧を経験せずにここでこうしてタイピングしているのはたやすいことだ
レム睡眠は夢を担当し、キャッシュ内の経験を長期保存領域と照合する役割を持つ。記憶が正しければだが
私の夢はおおよそ25/25/25/25に分かれている気がする。ありふれた日常の経験、同じか非常によく似た夢、完全に新しい状況、そして無作為な場所や状況に魔法のように置かれる超現実的な夢だ。
いつも過去と最近の経験を混ぜて並べ替え、未来の仮想シナリオを少し足したものだと思っていた。
「点滅」は仮説のための良いA/Bテストのように聞こえるし、再生は暗記に良さそうだ。
より仮説的な夢では、物理法則がおかしかったり、顔をつねっても何も感じなかったりして、夢だと気づくことが多い。だからその過程を少し台無しにしているのかもしれない。もしかするとINTJの特性かもしれない。
子どものころはそう気づいて飛べた記憶があるが、最近は地上10メートル以上にはあまり上がれない。速度制限がかかっているようだ