Nowa hipoteza dotycząca funkcji śnienia mówi, że zawdzięczamy mu znacznie więcej niż tylko wspomaganie procesów uczenia się. A przy okazji być może wyjaśnia, dlaczego kochamy opowieści.
Jeśli przybysze z kosmosu kiedykolwiek odwiedzą Ziemię, zauważą pewną dziwną rzecz: prawie każdy człowiek w każdej części świata przez większą część doby skupia się na rzeczach, które nie dzieją się naprawdę. Przejmujemy się rozmaitymi fikcyjnymi zdarzeniami, np. fabułą seriali telewizyjnych, gier, powieści albo filmów. Dlaczego?
Kosmici rozważą zapewne różne odpowiedzi. Może ludzie są głupi i nie odróżniają prawdy od fikcji? A może z przywiązywaniem przesadnej wagi do wymyślonych wydarzeń i opowieści jest tak samo jak z objadaniem się sernikiem: ukształtowane przez ewolucję cechy gatunku ludzkiego prowadzą niekiedy do nienaturalnych konsekwencji?
Kosmici zdziwią się jeszcze bardziej, gdy dowiedzą się o spaniu i snach. Sny również nie dzieją się naprawdę. Zarazem śnienie wymaga czasu i energii, więc zapewne pełni jakąś funkcję ewolucyjną. Przybysze z innej planety zaczną się zastanawiać, czy obcowanie z fikcją nie jest dla nas aby całkiem pożyteczne.
Zostawić Freuda
Oprócz parania się neuronauką pisuję powieści, do tego wychowałem się w rodzinnej księgarni, więc fascynuje mnie ten temat. Pytanie o ewolucyjny sens śnienia frapuje nie tylko kosmitów, ale także naukowców. Jeśli uda się nam znaleźć odpowiedź, trzeba będzie się zastanowić, czy odnosi się ona również do „syntetycznych” snów, czyli opowieści.
W mojej pracy naukowej zajmuję się hipotezą opartą na wynikach badań nad sztucznymi sieciami neuronowymi. Wydaje się, że snom zawdzięczamy lepsze funkcjonowanie na jawie – działają tu jednak bardzo nieoczywiste mechanizmy. Jeżeli hipoteza, o której zamierzam teraz opowiedzieć, znajdzie potwierdzenie, stanie się jasne, dlaczego pociąga nas fikcja.
Badanie snów, nazywane niekiedy onirologią, zaliczyło falstart w pierwszych dekadach XX w., naznaczone było bowiem silnym wpływem Zygmunta Freuda i jego koncepcjami rozwoju psychoseksualnego. Freud twierdził, że sny to wyraz tłumionych pragnień stanowiących konsekwencję traumatycznych zdarzeń z dzieciństwa. Teoria ta została później zdyskredytowana, ale badacze snów długo nie mogli się uwolnić od piętna freudyzmu.
Na szczęście w ostatnich dekadach neuroobrazowanie i badania behawioralne pomogły zmienić ten stan rzeczy. Zyskaliśmy nową wiedzę na temat biologicznych podstaw śnienia. Udało się ustalić, że sny są skutkiem wyładowań określonych neuronów wywołanych zapewne przez liczne sprzężenia zwrotne w mózgu. Śnienie to wyjątkowy stan fizjologiczny. Z jednej strony mózg działa podobnie jak na jawie, z drugiej – wszelkie zachowania zostają „wyłączone” dzięki silnym sygnałom chemicznym powodującym niemal całkowity paraliż ciała.
Mimo że wiemy dziś więcej na temat samych mechanizmów śnienia, to jednak nadal nie rozumiemy jego funkcji. Niektórzy badacze uznają tę kwestię za nieistotną. Może sny są jedynie półproduktem spania i na przykład pomagają w usuwaniu resztek przemiany materii towarzyszącej aktywności neuronów?
Inni twierdzą, że śnienie pełni określone funkcje ewolucyjne. W przeciwnym razie dlaczego mielibyśmy poświęcać mu kilka godzin każdej nocy?
Zapisywanie wspomnień?
Twórcom tego rodzaju hipotez trudno wyjaśnić osobliwą naturę snów, jakże różną od życia na jawie. Sny są dość surowe, czyli zazwyczaj pozbawione żywych szczegółów zmysłowych. Przypominają halucynacje, przedstawiają bowiem świat na opak. Ponadto mają charakter narracyjny. To swego rodzaju opowieści, dziwaczne wariacje na temat zdarzeń z codziennego życia.
Przyjrzyjmy się zatem jednej z głównych hipotez na ich temat. Głosi ona, że śnienie ma związek z procesem gromadzenia i przechowywania wspomnień. Wszystko to opiera się na metaforze mózgu jako komputera. Utworzone wspomnienia są zapisywane jak dane na twardym dysku. Tego rodzaju analogie istniały, zanim jeszcze powstała nauka o mózgu i układzie nerwowym – w dawnych czasach zamiast o komputerach mówiono o prasach pneumatycznych albo nakręcanych zegarach. Niekiedy jednak metafora potrafi zwieść na manowce. Jeśli chodzi o sen i pamięć, doskonale wiadomo, że po dobrze przespanej nocy mózg pod wieloma względami pracuje lepiej, chociażby sprawniej radzi sobie z pewnymi zadaniami. Nie ma jednak wyraźnych dowodów na to, że łatwiej idzie mu zapamiętywanie jako takie (np. zapamiętywanie ciągów liczb).
Dlaczego w ogóle sen miałby się przyczyniać do przechowywania wspomnień? Najbardziej klarowna hipoteza na ten temat opiera się na badaniach, które wykazały, że u ssaków wspomnienia – czyli określone sekwencje wyładowań neuronów – są niekiedy „ponownie odtwarzane” podczas snu. Może więc śnienie to replay rzeczy zapamiętanych z codziennego życia?
Podczas snu faktycznie częściej dochodzi do wyładowań w neuronach odpowiedzialnych za procesy uczenia się, ale dwa fakty świadczą na niekorzyść omawianej tu hipotezy. Po pierwsze – replay nie wiąże się raczej z fazą REM, a tymczasem to właśnie podczas niej w naszej głowie powstają najbardziej wyraziste narracyjne sny. Po drugie – trudno stwierdzić, czy wspomnienia faktycznie są odtwarzane. Rozmaite bardzo staranne badania wykazały, że mózg z reguły tworzy zupełnie nowe, specyficzne wzory, zamiast odtwarzać te, które wcześniej zaobserwowano na jawie.
Również dowody natury behawioralnej nie potwierdzają koncepcji, że sny to replay wspomnień lub choćby półprodukt ich integracji. Gdyby bowiem tak było, we śnie powinniśmy przeżywać rzeczy, które rzeczywiście nam się przydarzyły. Tymczasem sytuacje takie są niezwykle rzadkie – do tego stopnia, że świadczą raczej o jakiegoś rodzaju zaburzeniu, np. o zespole stresu pourazowego.
Nie ma jednak wątpliwości, że sny faktycznie odgrywają pewną rolę w procesach uczenia się i zapamiętywania. Na studiach chodziłem na zajęcia poświęcone pamięci. Pewnego razu w ramach pracy domowej kazano mi nauczyć się żonglowania i następnego dnia urządzić pokaz dla grupy. Przez cały wieczór nieudolnie próbowałem podrzucać piłki tenisowe, aż w końcu zniechęcony poszedłem spać, przekonany, że nazajutrz czeka mnie kompromitacja. Po przebudzeniu wyskoczyłem z łóżka, wziąłem piłki do ręki i okazało się, że znakomicie żongluję. Było to niesamowite doświadczenie. Najwyraźniej procesy w moim mózgu, które zaczęły się na jawie, znalazły kontynuację podczas snu.
Nie uważam jednak, by polegało to na odtwarzaniu wspomnień o żonglerce. Przecież kiedy kładłem się spać, nie potrafiłem żonglować, więc nie mogłem wspominać siebie wykonującego tę czynność. Co ważniejsze, jest mało prawdopodobne, żebym o niej śnił. Jeśli w ogóle piłki tenisowe pojawiły się w moim śnie, to pewnie tylko jako przelotny element jakiejś halucynacji.
Podobne wnioski wynikają z badań. Jeśli poprosić ich uczestników, żeby długo grali w Tetris (przy czym do eksperymentu wybiera się osoby, które nie miały z nim wcześniej do czynienia), w ich snach pojawiają się potem spadające klocki. Nikt jednak nie śni o konkretnych partiach. Jeśli zatem chcesz, żeby w czyimś śnie wystąpił konkretny wątek, każ tej osobie uczyć się nowej, trudnej rzeczy, dopóki się nie przetrenuje – jak w przypadku wielogodzinnego grania w Tetris.
Uczenie głębokie
Być może śnienie uda się wyjaśnić dzięki nowemu trendowi w neuronauce. Podpowiada on, dlaczego sny mają swoją specyfikę. Neuronauka stara się obecnie wyciągać wnioski z uczenia głębokiego (deep learning) i badania sztucznych sieci neuronowych. Inspiracją dla nich jest oczywiście mózg, a ponadto techniki te jako jedyne umożliwiają maszynom osiągnięcie funkcji poznawczych typowych dla człowieka przy wykonywaniu złożonych zadań.
Deep learning nie porównuje procesów uczenia się do zapisywania danych w pamięci komputera. Chodzi tu raczej o nieustanne dopracowywanie ogromnej, złożonej sieci połączeń na podstawie ograniczonego zestawu danych początkowych zwanego danymi treningowymi. Każdy przykład analizowany przez sieć pozwala nieco zmienić układ i siłę połączeń, aż wreszcie jest ona w stanie efektywnie przetwarzać dane treningowe, np. klasyfikować obrazy, grać w coś lub prowadzić samochód.
W następnej kolejności powinna nastąpić generalizacja efektów uczenia się – mówiąc inaczej, nabyte zdolności należałoby móc zastosować do innych, zupełnie nowych danych. Ale nie zawsze tak się dzieje, gdyż każdy zestaw danych treningowych może mieć pewną specyfikę, niedostrzegalną dla osób, które go dobrały. Sieć staje się wówczas za bardzo przystosowana do tego konkretnego zestawu i nie umie przetwarzać innych.
Problem ten, nazywany czasem przeuczeniem, często występuje w deep learnigu. Opracowano wiele jego rozwiązań, przy czym zazwyczaj zakładają one ekspozycję sieci na jakiegoś rodzaju losowość, choćby przypadkowe „szumy” w danych.
Do strategii tych należy randomizacja domeny. W ramach tej metody dane używane podczas uczenia się celowo zostają mocno wypaczone i wywołują w sieci neuronowej coś w rodzaju halucynacji. Okazało się to niezwykle przydatne, kiedy firma badawcza OpenAI uczyła sieć neuronową manipulowania sztuczną ręką w celu ułożenia kostki Rubika.
Mamy powody sądzić, że mózgowi także grozi przeuczenie. Statystycznie rzecz biorąc, poszczególne dni życia zwierząt są do siebie dość podobne. Mają one w rezultacie dostęp do bardzo ograniczonych i specyficznych zestawów danych treningowych. Z drugiej strony muszą przecież na ich podstawie nauczyć się, jak reagować w niespodziewanych sytuacjach, przy czym owe reakcje obejmują zarówno ruchy ciała, jak i procesy poznawcze. Zwierzę nie musi wszystkiego idealnie pamiętać. Powinno jednak umieć radzić sobie z zupełnie nowymi wyzwaniami na podstawie ograniczonej liczby rzeczy, które dotąd widziało i zrobiło.
Dochodzimy tu do hipotezy przeuczonego mózgu. Głosi ona, że zwierzęta uczą się tak dobrze, iż nieustannie grozi im nadmierne dopasowanie do codziennego życia i codziennych zadań.
Pracowałem niedawno nad tą hipotezą, badając, czy sny mogą zapobiegać przeuczeniu. Mówiąc prosto, sny są tu traktowane jako celowe wprowadzenie „szumu”. Nie pomagają bezpośrednio w procesach uczenia się trwającego na jawie, za to chronią nas przed przeuczeniem i nadmiernym dopasowaniem.
Nie da się zastosować randomizacji domeny, kiedy mózg wykonuje swoje codzienne czynności. Życie większości zwierząt jest pełne niebezpieczeństw. Dostarczenie zajętemu mózgowi wypaczonych danych mogłoby sprawić, że zwierzę zrobi sobie jakąś krzywdę. Dlatego lepiej wykorzystać godziny spędzane „offline”. Mózg dostaje wówczas uproszczone, halucynacyjne dane przypominające wydarzenia i działania z życia codziennego, ale celowo przeinaczone i udziwnione.
Tym właśnie zgodnie z hipotezą przeuczonego mózgu są sny. Należy je traktować jako samogenerowane zestawy wypaczonych danych. Śnienie pomaga uogólniać efekty uczenia się i usprawnia funkcjonowanie na jawie. Właśnie dlatego, kiedy kładłem się do łóżka, nie potrafiłem żonglować, ale po obudzeniu byłem już sprawnym żonglerem.
Omawiana tu hipoteza ma istotną zaletę: traktuje poważnie specyfikę snów i nie uważa jej za byle epifenomen ani za niewyjaśniony efekt uboczny innych procesów zachodzących w mózgu. Przeciwnie, sny mają określony, dość osobliwy charakter, bo dzięki temu zapobiegają przeuczeniu. Na pierwszy rzut oka może się to wydawać dziwne. Kiedy jednak przeżywamy jakieś doświadczenie związane z wykonywanym zadaniem, ale zasadniczo się od niego różniące, często zaczynamy lepiej sobie radzić. Sny o lataniu mogą sprawić, że będzie ci łatwiej utrzymać równowagę podczas joggingu. Specjaliści od deep learningu powinni chyba wziąć to sobie do serca i wprowadzać badane sieci neuronowe w stan jak najbardziej przypominający sen, żeby nie doszło do przeuczenia.
Sny na jawie
Oczywiście mamy tu do czynienia z hipotezą, która jeszcze nie została zweryfikowana. Trzeba wiele pracy, żeby ocenić behawioralne korzyści snów i stwierdzić, czy śnienie faktycznie w oczekiwanym stopniu chroni ludzi i zwierzęta przed przeuczeniem. Ponadto nadal prowadzone są badania nad fizjologicznymi aspektami śnienia – choćby nad zmianami, które dokonują się wówczas w synapsach.
Spojrzenie na sny z tej nowej perspektywy pozwala nam jednak odejść od metafory zapisywania danych w pamięci komputera. Zamiast tego możemy potraktować uczenie się jako zestaw zdarzeń typu „coś za coś”, gdyż zapamiętywanie nieustannie musi rywalizować z generalizowaniem efektów uczenia. Czasami jeśli zbyt szczegółowo się czegoś nauczymy, konsekwencje będą gorsze, niż gdybyśmy w ogóle się do tego nie zabrali.
Jeżeli sny faktycznie pełnią przedstawioną tu funkcję, a hipoteza przeuczonego mózgu znajdzie potwierdzenie, powinniśmy sprawdzić, czy sztuczne sny – a więc literatura i sztuka – działają tak samo. Poświęciłem 10 lat na pisanie mojej pierwszej powieści, The Revelations, opowiadającej o świadomości i morderstwie. Mógłbym wymienić rozmaite kulturowo przyjęte uzasadnienia, dlaczego dzieła literatury i sztuki są ważne – dostarczają nam przecież rozrywki oraz wiedzy o świecie. Jednak hipoteza przeuczonego mózgu dodaje pewien nowy element: być może obcowanie ze sztuką sprawia ludziom przyjemność, bo jesteśmy nadmiernie dopasowani do rzeczywistości.
Z tego punktu widzenia uproszczona, czasami halucynacyjna, wypaczona nierzeczywistość, której dostarczają nam pisarze, filmowcy czy prehistoryczni szamani przy ognisku, pozwala mózgowi uniknąć wpadnięcia w koleinę. Nie chodzi tu wyłącznie o poszerzenie zestawu danych treningowych, ale także o wsparcie generalizacji efektów uczenia się, a przez to procesów poznawczych.
Gdyby kosmici zdawali sobie z tego sprawę, nasza obsesja na punkcie rzeczy, które nie dzieją się naprawdę, nie byłaby dla nich wcale taka dziwna – zwłaszcza że w miarę rozwoju cywilizacyjnego życie codzienne robi się coraz bardziej złożone i łatwiej może dojść do przeuczenia, więc ludzie poświęcają dziś więcej czasu na sztuczne sny niż na sny generowane przez ich mózgi. Dzięki gotowaniu łatwiej nam trawić żywność niż w czasach, gdy mogliśmy w tym celu wykorzystywać jedynie nasze żołądki. Kto wie, może wynalezienie fikcji pozwoliło nam czerpać korzyści związane ze śnieniem nawet wtedy, kiedy nie śpimy.
Pierwotnie tekst ukazał się na łamach czasopisma „New Scientist”. Tytuł i pierwszy śródtytuł zostały dodane przez redakcję „Przekroju”.
Czytaj również:
