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The Function of Dream Sleep

Cat: SCI
Pub: 1983
#: 1214b
Francis Crick & Graeme Mitchison

The function of dream sleep 夢を見る睡眠の機能
  1. REM sleep:
  2. The Cortex:
  3. Neuronal network:
  4. Dreams during REM sleep:
  5. Reverse learning mechanism:
  6. Testing the theory:
  7. Possible implications:
  1. レム睡眠:
  2. 大脳皮質:
  3. ニューロン・ネットワーク:
  4. レム睡眠中の夢:
  5. 逆学習のメカニズム:
  6. 理論の検証:
  7. 今後の可能性:
  • This thesis might belong to a classic one, but it gives us still fresh idea or image about the function of dreams. The term of dream is usually refered as a positive expression such as 'I have a dream.'
  • But it is said that the function of dream relates to the reverse learning. Reverse activity doesn't necessarily include negative meaing, but is necessary to have free space for future possibility or forthcoming new idea.
  • The present computer couldn't have such a function. It remembers all data automatically, without evaluating which data is important or is not. What about if it could have such a fucntion as to erase or get out of the way unnecessary data. Probably the algorism of criterion of importance could be too difficult to design.
  • Again this thesis is very suggestive and interesting; if we have such reverse learning function in the limited space of memory, we can virutally expand the space without limit. Oblivescence could be renaissance.
  • この論文は古典に属するかも知れないが、夢について未だに新鮮なアイデアとイメージを与えてくれる。
  • 夢の機能は逆学習に関連しているという。逆行行動は必ずしも否定を意味しない。それは将来の可能性や新たなアイデアのための自由な空間が必要だからである。
  • 現在のコンピュータにはこのような機能はない。それはどのデータが重要か否かを判断せずに自動的にすべて記憶する。もしコンピュータに不要なデータを消去またはどける機能ができたらどうであろうか。恐らく重要性の判断のアルゴリズムが難しいと思われる。
  • この論文は示唆に富んでいる。有限のメモリー空間にこの逆学習機能があれば、実質的にはその空間を無限に使うことになるからである。忘却は再生ということかも知れない。
English resume
Japanesse resume

>Top 1. REM Sleep:

  • In viviparous mammals the cortical system (cerebral cortex and subcortical structures) can be regarded as a network of interconnected cells which can support a great variety of modes of mutual excitation. Such a system is likely to be subject to unwanted or 'parasitic' modes of behavior, which arise as it is disturbed either by the growth of the brain or by the modifications produced by experience.
  • We propose that such modes are detected and suppressed by a special mechanism which operates during REM sleep and has the character of an active process which is the opposite of learning. We call this 'reverse learning' or 'unlearning'.
  • This mechanism, which is not the same as normal forgetting. Without it the mammalian cortex could not perform so well.

1. レム睡眠:

  • 胎生の哺乳類の大脳皮質系 (大脳皮質および皮質下組織)は、連携した細胞のネットワークからなり様々な興奮に反応する。このシステムは望ましくない行動に対して寄生的モードで対応し、大脳の成長に伴う混乱、経験の蓄積による修正に反応する。
  • これらのモードはレム睡眠の間に起こる特殊なメカニズムによって検知され抑圧されると考えられる。これは積極的な学習の反対のプロセスであり、通常の忘却とは異なる。これがないと哺乳類の大脳皮質がうまく機能しない。

>Top 2. The cortex:

  • The cortex consists of two separate sheets of neural issue; the neocortex is found only in mammals, although an analogous structure is found in birds.
  • Different areas of the cortex perform different functions, mainly associated with vision, touch and so on, while others appear to process more complex information not associated with a signal sensory mode. It appears to be closely associated with higher mental activities.
  • In any area of the cortex the great majority of synapses come from axons originating locally and running within it. There is also evidence that the majority of the synapses in the cortex are excitatory in their action. This suggest a capacity for self-excitatory modes of behavior in the cortex.
  • In various conditions, such as epilepsy, migraine and certain kinds of drug-induced hallucination, parts of the cortex appear to go into large-amplitude instabilities.

2. 大脳皮質:

  • 大脳皮質は二層の神経細胞層からなる。大脳新皮質は哺乳類だけに見られる。類似の構造は鳥にもあるが。
  • 大脳皮質は場所毎に、視覚、触覚など機能を受け持ち、また他の場所では単なる感覚だけでないもっと複雑な情報処理が行われる。
  • 大脳皮質のどの場所でも、大量のシナプスが局所的に内部を流れる軸索から発生する。このことは多くのシナプスが行動に伴って興奮することの表れである。このことは大脳皮質には、自ら興奮モードになっていく能力があることを示唆している。
  • てんかん、片頭痛、薬による幻覚などさまざまな条件を与えると、大脳皮質には大きな振幅の不安定性が生じる。

>Top 3. Neuronal networks:

  • Function of richly interconnected assemblies of cells could store associations.
  • Suppose an 'event' is represented by the activity of a subset of cells in a cell assembly. If all the cells involved in that event form mutual synapses, then when part of that event is encountered again these synapses can cause the regeneration of the activity in the entire subset.
  • Information is stored in the strengths of the many synapses and sometimes in the firing thresholds of cells as well.
  • The associations which are stored are not assigned specific locations for each item, as in a digital computer.
  • Instead the information is :
    1. Distributed; this implies that a particular piece of information is distributed over very many synapses.
    2. Robust: this implies that the information will not be totally lost if a few synapses are added or removed.
    3. Superimposed: this implies that one synapse is involved in storing several distincts pieces of information.
  • It is found that certain general properties will often emerge.
    1. Completion: give only part of the input (as a clue) it can produce fairly exactly the whole of the appropriate output. (content addressable)
    2. Classification: given an input which is related to several of its associations, it may produce an output which combines many of the common features of its normal outputs.
  • A major difficulty with all nets of this general type is that they become overloaded if an attempt is made to store simultaneously too many different patterns or associations of patterns.
  • How the net will behave when overloaded? The net may produce:
    1. Fantasy: many far-fetched or bizarre associations.
    2. Obsession: the same state, or one of a small set of state, whatever the input.
    3. Hallucination: inappropriate input signals which would normally evoke no response from the net.
  • How would eliminate these modes? The major inputs and output should be turned off, so that the system is largely isolated. It should then be given successive 'random' activations, from internal sources, so that any incipient parasitic modes would be excited, especially if the general balance of excitation to inhibition had been temporarily tilted towards excitation. Some mechanism is then needed to make changes so that these potentially parasitic modes are damped down.

3. ニューロン・ネットワーク:

  • 相互に密に接続された細胞群は、連想性を蓄積するためである。
  • 一部の細胞の活動による一つの出来事を想定してみる。その出来事にすべての細胞が関わっていると相互にすべてシナプスが伝達され、最初の一部の細胞も再び活発化することになる。
  • 情報は、シナプスの多さと強さ、時々閾値の変化で蓄積される。
  • 蓄積された連想性はコンピュータのように特定の場所に保管されるのではない。
  • その代わり情報は以下のように保管される。
    1. 分散性:このことは特定の情報の一片は非常の多くのシナプスに分散される。
    2. 堅牢性:シナプスが若干追加されるかなくなったりしても情報の全ては失われない。
    3. 重複性 (スーパーインポーズ):一つのシナプスは幾つかの情報片の蓄積に関わっている。
  • その結果、以下のような一般な特徴がある。
    1. 完全性:キーとしてごく一部をインプットすると、かなり正確にアウトプットの全貌を適切に再生できる。
    2. 分類:いくつかに関連しているインプットを与えると、共通する特徴を持つ多くのアウトプットを一緒に出せる。
  • この一般的な特徴の問題点は、同時に多くの異なるパターンやパターンの関連性を行おうとするとオーバーロードとなることである。
  • オーバーするとどうなるか?神経ネットは以下のようになる。
    1. 幻想:突飛で異様な関連性を生む
    2. 妄想:インプットがどうであれ、同じ状態の継続または一部のみの反応。
    3. 幻覚:通常はネットからは反応を呼び起こさないような不適切な信号のインプット
  • これらの状態をどう除去するのか。主なインプット・アウトプットを切断することで、システムの大半を孤立化させる。その後、継続的にランダム刺激を内部から与えると、初期の依存的なモードが活性化し、抑圧に対する興奮のバランスが、一時的に興奮側に傾く。そして、あるメカニズムが働き、寄生的なモードは破棄される。

>Top 4. Dreams during REM (Rapid Eye Movement) sleep:

  • In 1950s: in mammals there are two main type of sleep. Period of REM sleep (also called D sleep or paradoxical sleep) alternate with periods of non-REM sleep (also called S sleep, slow-wave sleep, or orthodox sleep)
    • Muscles of the sleeping animal (head and neck) are more relaxed than in non-REM sleep.
    • Its cortex judged by EEG (electroencephalogram) and the eyes are very active and in a state similar to the waking state.
  • Another major difference between REM and non-REM sleep lies in the dreams associated with them.
    • During REM sleep, dreams occur more frequently and usually have a perceptual vividness and the illogical episodic character.
    • A human adult usually spends a total 1.5 - 2 hours each night in REM sleep, spread over several periods.
    • The memory of a dream is usually very transient, fading quickly if no effort is made to remember it by rehearsing its content.
    • Newborn humans may have as much as 8 hours of REM sleep per day.
    • In the womb, especially in the third trimester, REM sleep occurs even more frequently.
    • If an animal is deprived of REM sleep for one or more nights (but allowed non-REM sleep) then it will usually have more REM sleep in subsequent nights.
    • During REM sleep the forebrain is periodically and widely stimulated by the brain stem.
    • In REM sleep the brain is isolated from its normal input and output channels.
  • The postulated mechanism:
    • A reverse learning mechanism which will modify the cortex (for example, by altering the strengths of individual synapse) .
    • If a synapse needs to be strengthened in order to remember something, then in reverse learning it would be weakened
    • In REM sleep we unlearn our unconscious dreams. "We dream in order to forget."
    • Note that the amount of reverse learning per step in these simulations was very small (about 1% of the amount needed for complete learning), although several hundred such steps were used. The changes produced in REM sleep may individually be very small but cumulative over many PGO (Ponto-Geniculo-Occipital) spikes and many nights' sleep.
  • Objections
    • The objection might be raised that some experiments have shown that REM may appear to help the retention of memory, whereas the process of reverse learning would tend to make the memory fade.
    • If there is indeed a mechanism for reverse learning, many questions arise about its character. Does it act via the same mechanism as normal learning or is a special, quite separate mechanism involves?
    • Another possibility is that a small amount of reverse learning is always present but is normally overwhelmed by the positive plasticity produced by one or more of the diffuse systems from the brain stem.
  • Our theory postulates:
    • There is no intelligent supervisor inside the brain which decides in detail which potential neural activities should be left untouched and which should be damped down.
    • This choice is made solely by the response of the forebrain to the relatively nonspecific signals from the brain stem.
    • The stem gives the forebrain a varied pattern of bangs (PGO waves). Any resulting activity is then modified so that is less likely to occur in the future.
    • We normally become conscious of our dreams only if we wake up while dreaming is in progress. If we then pay attention to our dream, some of tis content can be maintained in very short-term memory and may eventually be transferred to longer-term memory as the transfer mechanism becomes activated. Otherwise our dream fades. Thus we can speak of forgetting our dreams, meaning that we know that we had a dream, but are somewhat uncertain of its content.

4. レム睡眠中の夢:

  • 1950年代:哺乳類には二種類の睡眠がある。 レム睡眠 (Rapid Eye Movement sleep;D睡眠またはパラドックス睡眠ともいう。)は、ノンレム睡眠 (S睡眠または正常睡眠)と交互に起きる。
    • 睡眠中の動物の筋肉 (頭や首)は、ノンレム睡眠時よりも弛緩している。
    • 大脳皮質の脳波 (脳電図)測定および非常に活動的な眼球の状態は、歩行状態の脳波に近い。
  • レム睡眠とノンレム睡眠の主な違いは、関連する夢の違いにある。
    • レム睡眠中の夢は、頻繁に起こり、通常は明確な意識と非論理的なエピソードという特徴がある。
    • 人間の大人は、通常、毎晩レム睡眠を1.5-2時間費やし、これが数回行われる。
    • 夢の記憶は、通常はすぐ消えてしまう。その内容を繰り返して覚える努力をしないとすぐに消えてしまう。
    • 新生児は、レム睡眠を1日8時間も繰り返す。
    • 特に、第三期(妊娠7-9ヶ月)の胎児はさらに頻繁にレム睡眠を行う。
    • 動物からレム睡眠を1日から数日させなくすると (ノンレム睡眠はさせるが)、その後はレム睡眠が増える。
    • レム睡眠の間、前脳は、規則的かつ広範に脳幹によって刺激される。
    • レム睡眠では、大脳は通常のインプット・アウトプットのチャネルから孤立している。
  • 想定されるメカニズム:
    • 逆学習のメカニズムとは、個々のシナプスの強さの変更など大脳皮質の変化を起こすことである。
    • もし何かを記憶するためにシナプスを強める必要があれば、逆学習では、それを弱めることをするはず。
    • レム睡眠では、我々は無意識に見る夢を忘れるようになる。いわば我々は忘れるために夢を見るとも言える。
    • 逆学習のためのステップの量は極めて少ない。完全な学習に必要な量 (数百ステップ)の1%程度か。レム睡眠での個々の変化は非常に少ないものの、PGOスパイク(脳波刺激)、や夢の繰り返しで変化が累積される。
  • 反論:
    • 逆学習は、記憶を消去するプロセスであるが、一部の実験では、レム睡眠はむしろ記憶の保持を助けているのではないかとの反論がある。
    • もし、逆学習のメカニズムが本当にあるのなら、その特徴について多くの疑問が沸いてくる。それは通常の学習メカニズムを通して行われるのか、あるいは別個の特別なメカニズムとして行われるのか。
    • 別の可能性としては、小規模の逆学習は常に起こっているものの、通常は脳幹からの情報拡散システムによる正の可塑性によって圧倒されているのではないかという説である。
  • 本理論の前提:
    • 大脳の中には、こちらの神経活動は残し、こちらは捨てるというような決定を行うような知的な指令を出す部分は存在しない。
    • ある判断の選択は、主に前頭葉の反応によって脳幹からの非特異的な信号に対して行われる。
    • 脳幹は、前頭葉に対してさまざまなパターンのPGO脳波を与える。その結果、生じる変化によって、将来の発生確率の可能性が少なくなるような変化の修正が行われる。
    • 我々は、通常、夢の途中で起きる時だけ、夢を意識する。我々は自分の夢に着目し、その一部の中身を短期記憶に留め、そして移行メカニズムが活性化すると長期記憶に移していく。そのようにならない場合でなければ夢は消えていく。つまり我々は夢を確かに見ていたのだが、その内容は忘れてしまい、どのような内容だったのか確かめられない。

>Top 5. Reverse learning mechanism:

  • This forgetting of a dream does not necessarily involve our postulated reverse learning process. The latter is a positive mechanism which does not merely fail to alter synaptic strengths but changes them so that the dream is not just forgotten but actively 'unlearned'.
  • What does a fetus 'learn' that has to be unlearned? During development, the semirandom process of making synaptic connections is likely to produce parasitic modes. It is these which must be 'unlearned' in order to obtain a well-behaved system.
  • A recurrent dream is one which tends to wake up the sleeper, perhaps because of the anxiety often associated with them. This will have the effect that the learning process changes sign, passing from reverse learning to positive learning, so that he underlying spurious associations remain, and so a similar dream is likely to occur on some later occasion.
  • Non-REM sleep is likely to have the restorative function often postulated for it but it may also have some informational function. Fore example, it might be used for the process of 'consolidating' memory in some way.

5. 逆学習のメカニズム:

  • 夢を忘れることは必ずしも逆学習プロセスを含むことを意味しない。後者のプロセスは、シナプスの強度を変えて夢を忘れさせることではでなく、さらに"逆学習"するという積極的な行動である。
  • 胎児が、逆学習しなければならないことを学ぶとはどういうことであろうか?発達する間に、シナプスの接続を作るというセミランダムなプロセスは、まず寄生的モードを生成する。うまく機能するシステムを作るためには逆学習も必要なプロセスということであろう。
  • 夢が繰り返されることで、寝ている人が目覚めてしまうのは、その夢に関する心配事が原因である。これは学習プロセスが、逆学習から正学習へと変化する過程で、さまざまな偽りの連想を彦起こし、同じような夢がその後も度々起こることになる。
  • ノンレム睡眠は、ある種の回復機能であると説明されてきたが、それ以外にも何か情報処理の機能があるかも知れない。例えば、記憶を固定されるプロセスとして使われているかも知れない。

>Top 6. Testing the theory:

  • The effects of REM sleep deprivation are hard to explain. It is well established that REM deprivation often produces a rebound - more REM sleep than usual occur when the subject is eventually allowed to sleep without interruption.
  • REM deprivation in humans sometimes produces irritability and an inability to concentrate. These are the effects of the attention mechanism being forced to subdue subthreshold parasitic modes which would otherwise break into consciousness.
  • REM deprivation can also allow feelings and wishes to appear which had previously been kept out of consciousness, or, in certain subjects, can show changed towards in creased internal fantasy during waking.
  • Some drug such as certain monoamine oxidase inhibitors, appear to prevent REM sleep entirely without producing very obvious psychological deficits.
  • Our unconscious dreams (dreams we do not remember - a new word for this is really needed, we suggest "remination") reduce the probability of such thoughts occurring in the future.

6. 理論の検証:

  • レム睡眠をさせない場合の効果については、説明するのが難しい。レム睡眠を奪うとリバウンドがある。つまり邪魔されなければ、いつもより多くのレム睡眠が起こるということである。
  • 人間にレム睡眠をさせないと、かんしゃくを起こしたり、集中力がなくなったりする。これらは集中メカニズムの効果が強制的に閾値以下となり、寄生的な潜在意識を、明確な意識的として表れるのを抑え込んだことになる。
  • REM睡眠をさせないことによって、以前は意識から遠ざけられていた感情や願望が表れてくることもある。
  • モノアミン酸化酵素(MAO;モノアミン神経伝達物質の酸化を促進)のような一部の薬品は、レム睡眠を妨げ、明らかな精神的な疾患を生じることなく、レム睡眠を防ぐことができる
  • 我々の無意識に見る夢 (即ち、記憶されない夢、これを"REMnation"と呼ぶ新語はどうだろうか?)は、このような考えが将来起こるかもしれないという確率を減らすことになる。

>Top 7. Possible implications:

  • If it turns out that our ideas are broadly correct, they could help us to understand the evolution of the neocortex. In order for a highly tuned system to perform efficiently at least two requirements are necessary; a fairly constant internal temperature, so that its function is not disturbed by temperature fluctuations, and in addition a cleaning-up mechanism, to remove potentially parasitic modes. In short, without REM dreams evolution could not have produced the highly refined neocortex we have today.
  • If the reverse learning mechanism exits, one might wonder what effects its failure might have.
    • A complete failure might lead to such grave disturbances - a state of almost perpetual obsession or spurious, hallucinatory associations.
    • A partial failure should produce unwanted responses to random noise, perhaps as hallucinations, delusions, and obsessions, and produce a state not unlike some schizophrenias.
  • Studies have shown that there is little or no connection between the outward signs of REM sleep and schizophrenia. The possibility that some forms of schizophrenia might be caused by a defect in the reverse learning process should not be overlooked.
  • In this model, attempting to remember one's dreams should perhaps not be encouraged, because such remembering may help to retain pattern of thought which are better forgotten.
  • This reverse learning process may well be useful for AI (artificial intelligence) machine of the future, especially those having extensive parallel processing, a learning mechanism and a certain amount of randomness in their construction.

7. 今後の可能性:

  • 我々のアイデアが概ね正しいとすれば、大脳新皮質の進化を理解する上で役立つ。高度に調整されたシステムを効果的に動かすためには、少なくとも二つのことが必要になる。1) 内部温度を一定に保つこと。これは温度変化によって機能が損なわれないようにするためである。2) クリーンアップのメカニズム。これは必然的に発生する寄生的モードを取り除く機能である。
  • 逆学習メカニズムが存在する仮定して、もしそれがない場合の効果はどうなるだろうか。
    • そに機能が全くない場合は、抑圧的、不要な、そして幻覚的な連想性の状態がいつまでも続くことになる。
    • 一部しかない場合は、おそらくランダムで不快なノイズが発生する。例えば、幻覚、妄想、抑圧のようなランダムな総合失調症(精神分裂)によく似た症状
  • 研究によれば、レム睡眠と総合失調症との間には、ほとんど、あるいは全く関係はない。総合失調症のある症状は、逆学習プロセスが欠如していることは見逃せない。
  • このモデルでは、自分の夢を覚えておこうと努力することは薦められない。なぜなら覚えようとすることは忘れた方がよいという考えのパターンを覚えることになるからである。
  • この逆学習パソコンは、将来AIマシーンを作る場合に役立つ。特に学習メカニズムとそれを記憶する時のある程度のランダム性をもつことである。
  • In considering reverse learning, we should review the real value of randomness, incompleteness, or unconsciousness.
  • During our education process, we might have learned many wrong things. Do we have reverse learning mechanism?
  • 逆学習を考える場合、我々は、改めてランダム性、不完全性、無意識性の価値を考え直すべきかも知れない。
  • 教育のプロセスを通じで、我々は多くの間違ったことを学んできた。我々は逆学習のメカニズムを持っているだろうか?

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