Naučnici otkrivaju skrivene blokove za učenje u mozgu

Mozgovi nadmašuju veštačku inteligenciju (AI) sklapanjem ponovo upotrebljivih "kognitivnih lego-kockica" kako bi se odmah prilagodili novim zadacima.

Istraživači sa Prinstonskog univerziteta su otkrili da je mozak izuzetno dobar u učenju jer ponovo koristi modularne “kognitivne blokove” u mnogim zadacima. Majmuni su obavljajući zadatke vizuelne kategorizacije pokazali da prefrontalni korteks sastavlja ove blokove poput lego-kockica radi kreiranja novih ponašanja.

Preporučujemo

Ova fleksibilnost objašnjava zašto ljudi uče brzo, dok modeli veštačke inteligencije često zaboravljaju stare veštine. Ovi uvidi bi mogli pomoći u razvoju bolje veštačke inteligencije i novih kliničkih tretmana za oštećenu kognitivnu adaptivnost.

Veštačka inteligencija može da napiše eseje koji osvajaju nagrade i pomaže lekarima da sa izuzetnom preciznošću detektuju bolest. Ipak, kad je u pitanju istinska mentalna fleksibilnost, živi mozgovi i dalje imaju jasnu prednost.

Ljudi mogu da se prilagode novim situacijama i informacijama sa izuzetnom lakoćom. Učenje nepoznatog kompjuterskog softvera, isprobavanje novog recepta ili shvatanje pravila nove igre često se dešava brzo za ljude, dok sistemi veštačke inteligencije obično imaju teškoće da se prilagode u realnom vremenu i da efikasno uče „u hodu“.

U novoj studiji, neuronaučnici sa Prinstonskog univerziteta identifikuju jedan ključni razlog za ovu razliku. Ljudski mozak uvek iznova koristi iste kognitivne „blokove“ u mnogim različitim situacijama, kombinujući ih i rekombinujući kako bi stvorio nove obrasce ponašanja.

„Najrazvijeniji modeli veštačke inteligencije mogu postići ljudske ili čak nadljudske performanse u individualnim zadacima. Međutim, imaju probleme sa učenjem i obavljanjem mnogih različitih zadataka“, kažu naučnici. „Otkrili smo da je mozak fleksibilan jer može ponovo da koristi komponente kognicije u mnogim različitim zadacima. Sklapajući ove 'kognitivne lego-kockice', mozak je sposoban da izvede nove zadatke“.

Kompozicionalnost: Ponovna upotreba veština u novim situacijama

Ako neko već zna da popravlja bicikl, učenje popravke motocikla može izgledati jednostavnije. Ta sposobnost da se nova veština izgradi od jednostavnijih, poznatih veština iz srodnih iskustava poznata je kao kompozicionalnost.

„Ako već znaš kako da ispečeš hleb, možeš iskoristiti tu sposobnost da ispečeš kolač bez ponovnog učenja od nule kako da pečeš. Ponovo koristiš postojeće veštine – korišćenje rerne, merenje sastojaka, mešenje testa – i kombinuješ ih sa novim veštinama, kao što su pravljenje fila i glazure, da bi stvorio nešto potpuno drugačije“, kažu autori.

Dokazi o tome kako tačno mozak podržava ovakav fleksibilni, kompozicionalni način razmišljanja su ograničeni i ponekad kontradiktorni. Radi dobijanja jasnije slike, istraživači su obučili dva muška rezus makakija za obavljanje tri povezana zadatka, beležeći aktivnost u njihovim mozgovima.

Testiranje fleksibilnosti putem zadataka vizuelne kategorizacije

Umesto zadataka iz stvarnog sveta, kao što su pečenje ili popravka bicikla, životinje su obavljale tri zadatka vizuelne kategorizacije. Na ekranu su videli niz šarenih oblika. Zadatak je bio da utvrde da li svaki oblik više liči na zeca ili na slovo T (kategorizacija oblika), ili izgleda više crven ili zelen (kategorizacija boje).

Zadatak je bio teži nego što se činilo. Oblici su varirali u pogledu jasnoće razlika. Neke slike su očigledno ličile na zeca ili bile jarko crvene, dok su druge bile nejasne i zahtevale pažljivo prosuđivanje u cilju kategorizacije.

Da bi saopštili svoj sud o obliku ili boji, majmuni su gledali u jedan od četiri različita pravca na ekranu. Na primer, u jednoj verziji zadatka, gledanje ulevo značilo je da je životinja videla oblik kao zeca, dok je gledanje udesno značilo da više liči na T.

Ključni deo eksperimenta bio je u tome da svaki zadatak ima svoja specifična pravila, ali ipak deli ključne komponente sa drugim.

Jedan od zadataka u pogledu boje i zadatak u pogledu oblika zahtevali su da životinje gledaju u istim pravcima kako bi pokazali svoje odluke, dok su oba zadatka sa bojama zahtevala od majmuna da kategorizuju boju na isti način (kao crveniju ili zeleniju), ali da gledaju u različitim pravcima prilikom signaliziranja svoje procene (kategorizacija boje).

Ova šema je omogućila istraživačima da vide da li mozak ponovo koristi iste nervne obrasce, ili kognitivne gradivne blokove, kad god zadaci dele određene karakteristike.

Foto: Pixabay/semevent

Prefrontalni korteks kao centar za ponovo upotrebljive kognitivne blokove

Nakon ispitivanja obrazaca moždane aktivnosti, otkriveno je da prefrontalni korteks, region prednjeg dela mozga koji je uključen u visoke funkcije mišljenja i odlučivanja, sadrži nekoliko ponavljajućih obrazaca aktivnosti. Ovi obrasci su se pojavljivali kad god su grupe neurona radile zajedno ka zajedničkom cilju, kao što je razlikovanje boja.

Naučnici su ove obrasce nazvali „kognitivnim lego-kockama“ mozga, kompletom gradivnih blokova koji se mogu fleksibilno kombinovati radi proizvodnje različitih ponašanja.

Kognitivni blok je kao funkcija u kompjuterskom programu. Jedan skup neurona može razlikovati boje i njegov učinak se može mapirati na drugu funkciju koja upravlja nekom radnjom. Ta organizacija omogućava mozgu da obavi zadatak sekvencijalnim izvođenjem svake komponente tog zadatka, kažu istraživači.

Na primer, za jedan od zadataka sa bojom, mozak bi sastavio blok koji određuje boju slike zajedno sa drugim blokom koji upravlja pokretima očiju u određenim pravcima. Kad životinja pređe na drugi zadatak, kao što je prosuđivanje oblika umesto boja dok i dalje koristi slične pokrete očiju, mozak jednostavno aktivira blok za obradu oblika zajedno sa blokom za te iste pokrete očiju.

Ovo deljenje blokova primarno se javljalo u prefrontalnom korteksu i nije viđeno u istoj meri u drugim oblastima mozga. Ovaj nalaz sugeriše da bi ovaj tip kompozicionalnosti mogao biti karakteristična odlika prefrontalnog korteksa.

Uključivanje i isključivanje blokova radi izoštravanja fokusa

Istraživači su takođe primetili da se čini da prefrontalni korteks potiskuje određene kognitivne blokove kad nisu potrebni. Ovo verovatno pomaže mozgu da se koncentriše na najvažniji zadatak u datom trenutku.

Mozak ima ograničen kapacitet za kognitivnu kontrolu. Morate da suzbijete neke svoje sposobnosti kako biste se fokusirali na one koje su trenutno važne. Fokusiranje na kategorizaciju oblika, na primer, privremeno smanjuje sposobnost kodiranja boje jer je cilj razlikovanje oblika.

Putem selektivnog aktiviranja i potiskivanja različitih blokova, mozak može da izbegne preopterećenost i da zadrži fokus delovanja na trenutnom cilju.

Kognitivne lego-kocke, veštačka inteligencija i mentalno zdravlje

Ove kognitivne lego-kockice mogu pomoći da se objasni zašto su ljudi često sposobni da usvajaju nove zadatke tako brzo. Mozak ne mora uvek da počinje od nule. Umesto toga, može da se osloni na postojeće mentalne komponente, ponovo ih kombinuje i izbegne dupliranje rada – strategija koju trenutni sistemi veštačke inteligencije generalno nemaju.

„Veliki problem sa mašinskim učenjem je katastrofalna interferencija“, kažu naučnici. „Kad mašina ili nervna mreža nauče nešto novo, zaborave i uništavaju ranija pamćenja. Ako veštačka nervna mreža zna kako da ispeče kolač, ali onda nauči da peče keks, zaboraviće kako da peče kolač“.

Inkorporacija kompozicionalnosti u veštačku inteligenciju mogla učiniti veštačke sisteme sličnijima ljudskim u pogledu učenja, omogućavajući im da stiču nove veštine tokom vremena bez brisanja ranijih.

Isti principi mogli bi uticati i na medicinu. Mnoga neurološka i psihijatrijska stanja, uključujući šizofreniju, opsesivno-kompulzivni poremećaj i neke oblike povrede mozga, mogu otežati ljudima da primene postojeće veštine u novim situacijama. Ovi problemi mogu nastati kad mozak više ne može uspešno da rekombinuje svoje kognitivne gradivne blokove.

„Zamislite da možete pomoći ljudima da ponovo steknu sposobnost da menjaju strategije, uče nove rutine ili da se prilagode promenama. Dugoročno gledano, razumevanje kako mozak ponovo koristi i rekombinuje znanje moglo bi nam pomoći da kreiramo terapije koje obnavljaju taj proces“, kažu autori studije.

(Telegraf Nauka/Science Daily)