Wie das Gehirn im Schlaf viele Erfahrungen im „Offline“-Zustand verarbeitet

• Forschende der Yale University haben in Experimenten mit Mäusen festgestellt, dass der Hippocampus während des Schlafs etwa 15 unabhängige Erfahrungen aus dem Tagesverlauf in einem einzigen Ereignis von weniger als einer Sekunde bündeln und verarbeiten kann
• Dieses Phänomen hängt mit generativem Coding im Hippocampus zusammen und ermöglicht es dem Gehirn, schnell zwischen Repräsentationen unterschiedlicher Erfahrungen zu wechseln und mehrere Informationsströme parallel zu verarbeiten
• Im Experiment wurde über 19 Stunden und 30 Minuten hinweg die Aktivität von Hippocampus-Neuronen aufgezeichnet, während sich Mäuse frei durch 15 räumliche Kontexte bewegten; darin waren längere Schlafphasen enthalten
• Während des Schlafs erscheinen zeitlich komprimierte Repräsentationen verschiedener Erfahrungen abwechselnd innerhalb derselben Preplay-/Replay-Ereignisse, und unabhängige Erfahrungen können zu längeren Episoden von weniger als einer Sekunde verbunden werden
• Außerdem wurde ein serieller Positionseffekt beobachtet, bei dem die erste und die jüngste Erfahrung am stärksten repräsentiert sind – ein Hinweis auf eine Ähnlichkeit mit dem Phänomen, dass Menschen sich die ersten und letzten Elemente einer Liste besser merken

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Der Hippocampus verarbeitet Tageserfahrungen im Schlaf gemeinsam

• Menschen und Tiere machen täglich viele Erfahrungen, speichern sie und im Schlaf spielen neuronale Ensembles des Gehirns diese Erfahrungen erneut ab, um sie als Erinnerungen zu festigen
• Dieselben neuronalen Ensembles können zukünftige Erfahrungen auch preplayen und sind daran beteiligt, neue Erfahrungen später schneller als Erinnerungen zu enkodieren
• Die meisten bisherigen Studien konzentrierten sich auf Situationen, in denen Tiere eine oder wenige sequenzielle Erfahrungen machen; wie das Gehirn im Schlaf viele Erfahrungen gleichzeitig verarbeitet, war daher unklar
• Forschende der Yale University haben im für Gedächtnis und Lernen zuständigen Hippocampus eine Fähigkeit zum generativen Coding festgestellt; sie ermöglicht es, Repräsentationen von rund 15 unabhängigen Erfahrungen eines Tages während des Schlafs in einem Zeitfenster von weniger als einer Sekunde zu bündeln
• Die Ergebnisse wurden in Nature Neuroscience veröffentlicht

Versuchsdesign und Aktivität im Schlaf

• Die Mäuse bewegten sich im Verlauf eines Tages frei durch 15 verschiedene räumliche Kontexte, während die Forschenden 19 Stunden und 30 Minuten lang die Aktivität von Hippocampus-Neuronen aufzeichneten
  • Die Aufzeichnungszeit umfasste längere Schlafphasen
  • Die Schlafphasen wurden genutzt, um die Offline-Aktivität des Tiergehirns im Hinblick auf Preplay und Replay von Erfahrungen zu untersuchen
• Durch die Datenanalyse wurden mehrere Coding-Mechanismen identifiziert, mit denen der Hippocampus im Schlaf Netzwerkkapazität und Effizienz erhöht und Repräsentationen mehrerer Erfahrungen ohne Interferenzen verarbeitet
• Innerhalb desselben Schlaf-Preplay-/Replay-Ereignisses kann er wie ein Blinken zwischen zeitlich komprimierten Repräsentationen aus zwei oder mehr unterschiedlichen Erfahrungen wechseln
  • Diese Eigenschaft erhöht die Kapazität für interferenzfreie parallele Informationsverarbeitung im Schlaf erheblich
• Unabhängige Erfahrungen können zu längeren Preplay-/Replay-Episoden gebündelt werden, die sequenzielle Aspekte ihrer Reihenfolge enthalten
  • Die Reihenfolge der Erfahrungen eines Tages wird in Replay-Episoden von weniger als einer Sekunde komprimiert

Wie Interferenzen reduziert und Erinnerungen unterschieden werden

• Im Alltag entstehen ständig neue Kontexte und Ereignisse; jede Erfahrung muss ohne größere gegenseitige Interferenzen getrennt enkodiert und später erinnert werden können
• George Dragoi erklärte, es sei nicht bekannt gewesen, wie das Gehirn dieses Problem löst, und es habe praktisch an Experimenten gefehlt, die sich direkt damit befassen
• Computermodelle gingen bislang davon aus, dass beim Kontakt mit mehreren Erfahrungen katastrophale Interferenzen zwischen Gehirnrepräsentationen neuer und alter Erfahrungen entstehen können, wodurch frühere Erfahrungen vergessen werden könnten
• Die Ergebnisse stützen die Erklärung, dass der Hippocampus über eine computerähnliche Verarbeitungsfähigkeit verfügt, mit der er unterschiedliche Informationsketten parallel verarbeiten und Bedeutungen trennen oder verbinden kann

Serieller Positionseffekt und intern erzeugte Repräsentationen

• Während der Repräsentationsprozesse im Schlaf wurde auch ein serieller Positionseffekt festgestellt
  • Die erste und die jüngste Erfahrung wurden im Schlaf der Tiere am stärksten repräsentiert
  • Das ähnelt dem Gedächtnisphänomen beim Menschen, bei dem Anfang und Ende einer Abfolge von Ereignissen oder Elementen besser erinnert werden
• Dragoi sagte, der identifizierte Gehirnmechanismus stehe damit in Zusammenhang, wie intern erzeugte Repräsentationen der Welt – etwa Erinnerungen, Vorstellungskraft und Einsichten – gebildet und dargestellt werden

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Hacker-News-Kommentare

• Damit habe ich im Bachelor angefangen, und im Master wurde es dann völlig zur Gewohnheit: Wenn ein Set von Mathematikaufgaben kam, habe ich mich abends 1–2 Stunden lang ehrlich daran abgearbeitet; wenn ich festhing, bin ich schnell weitergegangen und habe meist nicht allzu viele geschafft
  Dann habe ich mindestens 7,5 Stunden geschlafen, morgens Kaffee getrunken und es noch einmal angeschaut; dabei konnte ich oft ziemlich viele Aufgaben lösen oder machte zumindest Fortschritte
  Ich bin von Natur aus eher ein Morgenmensch, also mag da ein Bias drin sein, aber ich kenne mehrere Leute, die eine ähnliche Strategie nutzen

  • Ich arbeite fast genauso. Wenn ich am Ende des Tages keine Energie mehr habe, ein neues Problem zu lösen, überfliege ich einfach die Probleme, die ich in den nächsten Tagen lösen muss, und lade sie in meinen Kopf
    Ich versuche nicht, sie zu lösen, aber am nächsten Morgen fallen mir meist mögliche Ansätze ein. Im echten Leben funktioniert das gut, bei Vorstellungsgesprächen leider nicht
  • Als ich Vollzeit Java entwickelt habe, wachte ich manchmal mitten in der Nacht auf und hatte das Gefühl, dass ein großer Teil meines Gehirns weiter an Codierungsproblemen herummahlte. Das war nicht gut
  • Es muss wohl nicht unbedingt so strukturiert sein. Wenn man feststeckt, etwas anderes zu tun und dann einen Tag, zwei Tage oder noch später zurückzukommen, ist schon lange eines der Geheimnisse, wie man Dinge fertigbekommt
    Ich habe einmal an einem Ort gearbeitet, wo man erst ein Ticket bzw. eine Aufgabe komplett abschließen musste, bevor man zur nächsten übergehen durfte; das war aus mehreren Gründen eine völlig dumme Regelung
  • Ich glaube, Thomas Edison sagte, man solle nicht schlafen gehen, ohne das Unterbewusstsein darum zu bitten. Das ist ein großartiger Rat
  • Das erinnert mich an etwas, das ich während des Studiums über mich selbst gelernt habe. Morgens war mein Gehirn besser darin, neue Konzepte zu verstehen, und auch für Übung und Verbesserung beim Problemlösen war der Morgen am besten, aber ich behielt dabei weniger von den Details, auf die ich stieß
    Gegen 14 Uhr schien mein Gehirn dagegen in einen Auswendiglernmodus zu wechseln; dann war Problemlösen schwieriger als am Morgen, aber ich erinnerte mich an viel mehr von dem, was ich gelesen hatte
    Deshalb habe ich meine Lernaktivitäten an diese Tendenz angepasst, und auch jetzt mit 46 fühlt es sich noch ähnlich an. Bei schwierigen Problemen hilft es oft, wenn möglich bis zum nächsten Morgen zu warten; dann kommen Lösungen leicht in den Sinn, an die ich am Vorabend nicht herankam
    Lesen versuche ich meist nachts zu machen, aber mit Familie hat man nicht so viele Wahlmöglichkeiten bei der Zeit

• Hippocampal Replay war das Thema meiner Dissertation. Es wurde vor allem an Nagetieren erforscht, aber inzwischen gibt es auch viel mehr Forschung am Menschen
  Mein Promotionsvorschlag war, dass kognitive Ermüdung ein adaptives Konstrukt ist. Statt ein Signal zu sein, dass Glukose erschöpft ist und man nicht weiter funktionieren kann, ist es eher als Vorschlag an den Akteur zu verstehen, „offline“ zu gehen und Replay zu machen
  Zwei Mitautoren von mir haben einen sehr einflussreichen Artikel geschrieben, der die Q-learning-Gleichungen für Replay formuliert: https://www.nature.com/articles/s41593-018-0232-z

  • Ich frage mich, was Akteur hier bedeutet. Ein Mensch, das Gehirn oder irgendeine Komponente des Gehirns?
  • Es wäre wohl gut, sich auszuruhen und zu meditieren, während man dem Gelernten Zeit gibt
  • Ich frage mich, ob viel zur Hippocampus-Erinnerung von Kolibris geforscht wurde. Kolibris verbrauchen Glukose, um ein außergewöhnliches dreidimensionales räumliches Gedächtnis für sämtliche Futterstellen aufrechtzuerhalten
    https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22357941/
    Der Hippocampus-Komplex von Kolibris soll im Verhältnis zum Telencephalon-Volumen viel größer sein als bei jedem anderen bisher untersuchten Vogel. Ich denke, die räumliche „Berechnung“ des Hippocampus verbraucht in einer Art kolibriartiger „GeoPU“ Glukose und ermöglicht Denken nicht in Vektorräumen, sondern in dreidimensionalen Volumenräumen, was Erinnerungen an Futterorte und -zeiten sowie Navigation im Schwebeflug präzise macht
    Es wirkt wie: „Sie rechnen, um zu leben, und leben, um zu rechnen.“ Leute aus dem GPU-Bereich sollten Kolibris untersuchen. Das könnte besonders nützlich für AI-Pathfinding mit Sensorwahrnehmung sein. Manche Kolibris legen von Chile bis Kanada etwa 2.000 Meilen zurück
    https://www.hummingbirdsplus.org/nature-blog-network/ruby-th...
    Man muss bedenken, wie oft dieses Tier in der Luft nachtanken muss und dass es die effizienteste Route kennen muss, die alle Futter-Checkpoints über 2.000 Meilen hinweg verbindet
    https://i.imgur.com/3MvzmX9.png
    Kolibris können ihren energieintensiven Schwebeflug vollständig allein mit extern aufgenommener Glukose oder Fruktose aufrechterhalten
    https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111...
    Durch Spezialisierungen bei Ernährung, Verhalten und Stoffwechselphysiologie erhöhen sie ihre Nettoenergieaufnahme und nutzen sowohl Fruktose als auch Glukose in einem Maß, das Säugetiere nicht erreichen. Man kann sich vorstellen, wie viele Wellen im Hippocampus zirkulieren müssen, um einen Körper zu steuern, der sofort beschleunigt und die Höhe präzise kontrolliert
    Kolibris sind wirklich erstaunliche Lebewesen, und statt Mäusen sollte man die Glukoseregulation über den Hippocampus-Komplex von Kolibris erforschen

• Während des Zweiten Weltkriegs war der Admiral der US Navy, Raymond Spruance, dafür bekannt, selbst in Krisen äußerst ruhig zu bleiben, und er legte großen Wert auf ausreichend Schlaf, um im Gefecht in Bestform zu bleiben.
  Selbst wenn andere Offiziere 36 bis 48 Stunden am Stück wach waren, las er einen Roman und schlief, weil er wusste, dass er in Bestform sein musste, um seine große Verantwortung gut zu tragen.
  Außerdem ging er selbst auf See täglich mehr als 8 Meilen zu Fuß und besprach dabei, während er auf dem Schiff umherlief, mit anderen Offizieren die aktuellen Themen des Tages. Gehen eignet sich gut dazu, Probleme im Kopf zu wälzen oder einfach gedankenverloren nachzudenken und dem Unterbewusstsein den nötigen „Raum“ zum Arbeiten zu geben.

  • Menschen, die sich selbst dann einfach entscheiden können einzuschlafen, wenn eine Krise über ihnen schwebt, erstaunen mich.
    Ich wünschte, ich hätte diese Fähigkeit auch, denn ich weiß sehr gut, wie sehr die Leistung leidet, wenn man nicht genug schläft.
    Am Ende erlebt man das Schlechteste aus beiden Welten. Man versucht früh ins Bett zu gehen, aber die Zahnräder im Kopf drehen sich weiter, sodass man nicht einschläft, und weil man sich darüber ärgert, dass man nicht einschlafen kann, wird es noch schwerer.
    Wäre ich stattdessen einfach noch vier Stunden wach geblieben, hätte ich wenigstens irgendetwas getan; so bin ich am Ende genauso müde und kaue nur darauf herum, dass ich nicht schlafen kann.
  • Ich gehe auch gewohnheitsmäßig spazieren, schaffe aber normalerweise keine 8 Meilen. Beim Gehen höre ich oft Bücher oder Podcasts, frage mich aber manchmal, ob ich mir damit nicht selbst schade, weil ich meinen Gedanken nicht einfach freien Lauf lasse.
    Einerseits ist es fast die einzige Zeit, in der ich etwa eine Stunde lang ununterbrochen etwas anhören kann, andererseits wäre es, wie gesagt, vielleicht besser, sie dafür zu nutzen, dem Geist Raum zum Arbeiten zu geben.

• Ich hatte das Glück, weitgehend vom Unbewussten getragen zu leben, und habe mich bewusst entschieden, dem Unbewussten zu erlauben, mein Leben zu führen.
  Diese Idee stammt von Le Corbusier[1], der seinen Arbeitsprozess einmal so beschrieben hat: eine Phase, in der er Projektdetails sammelt; eine Phase, in der er andere Dinge tut und das Unbewusste das Projekt verarbeiten lässt; und schließlich eine Phase, in der er sich hinsetzt und das Projekt vollendet.
  Der Nachteil ist, dass man nicht weiß, wann die Inspiration kommt und wann man etwas tatsächlich fertigstellen kann. Deshalb halte ich es für wichtig, ordentlich zu sein und alles festzuhalten.
  Außerdem gibt es Zeit und Raum, in scheinbar unverbundenen Bereichen nach möglichen Lösungen zu suchen. Es ist eine Art Zen-Navigation für die Projektarbeit.
  [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Le_Corbusier
  [2] https://www.goodreads.com/quotes/667285-he-had-a-tremendous-...

  • Das klingt nach etwas, das ein Autor sagen würde. Ich frage mich, ob er Schriftsteller ist.
    Es erinnerte mich an die Art, wie Autoren oder Dichter beschrieben werden: dass sie darauf warten, dass Ideen eintreffen, manchmal lange warten und manchmal durch zufällige Ereignisse einen Geistesblitz bekommen.
  • Rick Rubin hat eine ähnliche Philosophie und beschreibt sie in seinem Buch „The Creative Act“. Ich frage mich, ob das ihn beeinflusst hat.
  • Ich würde gern mehr Details zu der Strategie hören.
  • Ich frage mich, wie man diese Methode mit all den praktischen Anforderungen, die man zum Lebensunterhalt erfüllen muss, in Einklang bringt. Muss der Alltag nicht bis zu einem gewissen Grad strukturiert sein?
  • Ich nutze denselben Ansatz :peace:

• Etwas, worüber ich schon länger nachdenke, zu dem ich aber keine belastbare Forschung finden konnte, ist, ob es optimal ist, nach dem Lernen oder Training — geistig oder körperlich — direkt zu schlafen, statt erst wach zu bleiben und sich auszuruhen.
  Wenn Schlaf der bestmögliche Zustand ist, in dem der Körper Erinnerungen konsolidieren und Ermüdung verringern kann, dann scheint es logisch, möglichst viel Zeit im Schlafzustand zu verbringen.
  Der schwierige Teil ist, ohne Medikamente einschlafen zu können, wenn man es möchte, aber ich denke, die Fähigkeit, schnell einzuschlafen, kann man lernen.
  https://www.inc.com/melanie-curtin/want-to-fall-asleep-faste...

  • Ich würde gern entsprechende Studien sehen, und das erinnert mich an den Aufbau einer traditionellen Yoga-Asana-Praxis. Ich hatte dieselbe Frage zu Ruhe nach Lernen oder Training.
    Am Ende einer Yoga-Asana-Praxis — manchmal auch zwischen den Haltungen — macht man gewöhnlich Savasana und ruht in offener Gewahrsein. Mein Lehrer sagte immer, das sei der wichtigste Teil der Stunde und helfe dabei, alles zu integrieren.
    Als ich mit Muay Thai anfing, hatte ich oft das Gefühl, viel von dem im Unterricht Gelernten zu „verlieren“, und begann deshalb, direkt nach der Heimkehr Savasana zu machen. In einem Zustand kurz vor dem Einschlafen spielte mein Gehirn den Unterricht noch einmal durch.
    Selbst wenn ich bei einem Coding-Problem wirklich feststecke, habe ich das Gefühl, dass es hilft, 10 bis 15 Minuten Savasana zu machen und dann zurückzukommen.
  • Interessanterweise frage ich mich, ob ein kurzer Adrenalin-Schub nach dem Lernen wirksam sein könnte. So als würde man das Gehirn austricksen: Du hast gerade eine gefährliche Situation überlebt, also musst du dir unbedingt merken, was unmittelbar davor passiert ist.
  • Das war zum Teil das Thema meiner Dissertation.
    Ich habe vorgeschlagen, dass kognitive Ermüdung ein adaptives Konstrukt ist, das Menschen dazu veranlasst, offline zu gehen und Erinnerungen zu wiederholen, und dass dies aus Sicht von Lernen/Belohnung entscheidungstheoretisch optimal ist.
    https://mayank-agrawal.com/papers/AgrawalMattarCohenDaw21.pd...
  • Wenn ich merke, dass Müdigkeit einsetzt, lege ich mich mit Noise-Cancelling-Kopfhörern auf das Sofa und lasse eine Soundscape laufen.
    Ich schließe die Augen und lasse meine Gedanken treiben. Es ist ähnlich wie die Phase vor dem Einschlafen. Meist reicht dieses Gedankenschweifen schon aus, aber manchmal schlafe ich auch ein, und beide Zustände helfen.
  • Der gesamte moderne Schulalltag ist dumm organisiert. Für viele sich entwickelnde Gehirne beginnt er zu früh und bietet auch kein Gleichgewicht mit Gelegenheiten, über das Gelernte nachzudenken.
    Das Schuljahr sollte nicht wie die langen Sommerferien aufgebaut sein, sondern eher das ganze Jahr über laufen, mit häufigeren Pausen dazwischen.
    Etwas wie eine Mittagsruhe für Schüler wäre vermutlich ziemlich gut. Vielleicht könnte irgendeine Privatschule so etwas einmal ausprobieren.

• Im Lauf der Jahre habe ich gelernt zu erkennen, ob es bei einem Problem, an dem ich festhänge, eine Blockade ist, die sich nach einer Nacht Schlaf lösen wird
  Selbst wenn ich im Moment überhaupt kein Gefühl dafür habe, kann ich inzwischen mit der Überzeugung einschlafen, dass es am Morgen wahrscheinlich gelöst sein wird

  • Ich mache es ähnlich. Ich frage mich: „Fühlt es sich an, als gäbe es hier einen Lösungsraum, ist das vermutlich ein lösbares Problem?“ Wenn ja, grabe ich weiter oder kaue weiter darauf herum, meist lasse ich es reifen
    Wenn nicht, frage ich mich, warum nicht, formuliere es um oder verschiebe es von der „Roadmap“ in eine Stufe darunter, auf die „Wishlist“
    Kreativität profitiert von Reifung, also davon, etwas vorübergehend loszulassen und zu sehen, welche Umstrukturierungen und neuen Ideen auftauchen
  • Das gilt auch für das Gedächtnis. Wenn ich mir etwas merken will, lese ich es vor dem Schlafengehen
    Direkt danach erinnere ich mich an nichts, aber wenn ich aufwache, taucht es wie von Zauberhand im Gedächtnis auf. Sehr nützlich

• Verwandtes Material: The Committee of Sleep: How Artists, Scientists, and Athletes Use Dreams for Creative Problem-Solving – https://en.wikipedia.org/wiki/The_Committee_of_Sleep

• Beim Autofahren ist es ähnlich. Nachdem man den ganzen Tag mit dem Kopf gegen die Wand gelaufen ist und aufgegeben hat, fällt einem auf der geistesabwesenden Fahrt nach Hause die Lösung ein oder zumindest das Problem, das man zuvor nicht gesehen hatte

• Auch in The Sleep Solution und Why We Sleep wird das behandelt. Dort wird außerdem behauptet, dass der REM-Schlaf ein zentraler Teil dieser Erfahrung ist
  Die nützlichste Analogie dafür war für mich, dass REM-Schlaf der Vorgang ist, bei dem Daten aus dem Cache auf die Festplatte geschrieben werden. Dabei werden die Daten bereinigt und die daran haftende emotionale Überlastung reduziert
  Wenn man zum Beispiel großen Kummer erlebt hat, ist es für die Verarbeitung essenziell, davon zu träumen
  Schlafmittel oder Alkohol unterdrücken den REM-Schlaf

  • Im Zweiten Weltkrieg meinten einige Kommandeure, ein Glas Brandy nach einer schweren Operation helfe, „battle fatigue“ zu verhindern. Es wäre interessant, wenn es in Wirklichkeit geholfen haben sollte, weil es die Bildung traumatischer Erinnerungen verringerte
    Der Zweite Weltkrieg sollte ein Paradebeispiel für die Bedeutung ausreichenden Schlafs sein. Auf beiden Seiten gab es mehrere Fehler, weil Führungspersonen tagelang nicht geschlafen hatten
    Admiral Kurita hätte in der Schlacht vor Samar seinen Vorteil vielleicht ausbauen können, und Admiral Halsey hätte möglicherweise die beiden Taifune vermeiden können, auf die seine Flotte traf. Natürlich ist es leicht, hier zu sitzen und das zu tippen, ohne dem überwältigenden Druck eines Krieges ausgesetzt zu sein
  • Der Teil mit dem Schreiben aus dem Cache auf die Festplatte war nach Why We Sleep, glaube ich, eher Teil eines Non-REM-Schlaf-Zyklus
    REM-Schlaf ist fürs Träumen zuständig und dafür, die Erfahrungen im Cache mit dem Langzeitspeicher abzugleichen. Wenn ich mich richtig erinnere

• Meine Träume scheinen grob in 25/25/25/25 aufgeteilt zu sein: gewöhnliche Alltagserfahrungen, dieselben oder sehr ähnliche Träume, völlig neue Situationen und surreale Träume, in die ich wie durch Magie an zufällige Orte und in zufällige Situationen versetzt werde
  Ich dachte immer, das sei ein Mischen und Neuordnen von Vergangenem und jüngsten Erfahrungen, mit ein wenig hypothetischen Zukunftsszenarien dazu
  Das „Blinken“ klingt wie ein guter A/B-Test für Hypothesen, und Wiederholung scheint gut fürs Auswendiglernen zu sein
  In stärker hypothetischen Träumen ist die Physik oft seltsam oder ich spüre nichts, wenn ich mir ins Gesicht kneife, sodass ich häufig merke, dass ich träume, und den Prozess damit vielleicht ein wenig störe. Vielleicht ist das auch so ein INTJ-Ding
  Ich erinnere mich, dass ich das als Kind gemerkt habe und dann fliegen konnte, aber heutzutage komme ich selten höher als 10 Meter über den Boden. Als gäbe es ein Tempolimit