Sleep prevents catastrophic forgetting in spiking neural networks by forming a joint synaptic weight representation

遗忘 记忆巩固 计算机科学 人工智能 任务(项目管理) 人工神经网络 突触重量 神经科学 睡眠(系统调用) 认知心理学 心理学 海马体 工程类 操作系统 系统工程
作者
Ryan Golden,Jean Erik Delanois,Pavel Šanda,Maxim Bazhenov
出处
期刊:PLOS Computational Biology [Public Library of Science]
卷期号:18 (11): e1010628-e1010628 被引量:9
标识
DOI:10.1371/journal.pcbi.1010628
摘要

Artificial neural networks overwrite previously learned tasks when trained sequentially, a phenomenon known as catastrophic forgetting. In contrast, the brain learns continuously, and typically learns best when new training is interleaved with periods of sleep for memory consolidation. Here we used spiking network to study mechanisms behind catastrophic forgetting and the role of sleep in preventing it. The network could be trained to learn a complex foraging task but exhibited catastrophic forgetting when trained sequentially on different tasks. In synaptic weight space, new task training moved the synaptic weight configuration away from the manifold representing old task leading to forgetting. Interleaving new task training with periods of off-line reactivation, mimicking biological sleep, mitigated catastrophic forgetting by constraining the network synaptic weight state to the previously learned manifold, while allowing the weight configuration to converge towards the intersection of the manifolds representing old and new tasks. The study reveals a possible strategy of synaptic weights dynamics the brain applies during sleep to prevent forgetting and optimize learning.
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