У вашего мозга есть секрет обучения, который ИИ не может скопировать.
Ученые из Принстона обнаружили, что мозг использует многократно используемые «когнитивные блоки» для быстрого создания новых моделей поведения.
Искусственный интеллект теперь может создавать получившие признание эссе и поддерживать медицинские диагнозы с впечатляющей точностью, однако биологический мозг по-прежнему превосходит машины в одной важной области: гибкости. Люди могут усваивать новую информацию и адаптироваться к незнакомым ситуациям с минимальными усилиями. Люди могут быстро освоить новое программное обеспечение, следовать рецепту, который они никогда раньше не пробовали, или выучить правила игры, которую они только что открыли для себя, в то время как системы ИИ часто испытывают трудности с адаптацией в реальном времени и эффективным обучением «на ходу».
Новое исследование нейробиологов из Принстона дает представление о том, почему мозг преуспевает в такой быстрой адаптации. Исследователи обнаружили, что мозг многократно использует одни и те же когнитивные «блоки» при выполнении различных типов задач. Перекомбинируя эти блоки новыми способами, мозг может быстро генерировать новые модели поведения.
«Современные модели ИИ могут достигать человеческих, а то и сверхчеловеческих, результатов в отдельных задачах. Но им сложно учиться и выполнять множество различных задач», — сказал Тим Бушман, доктор философии, старший автор исследования и заместитель директора Принстонского института нейронаук. «Мы обнаружили, что мозг гибок, потому что он может повторно использовать компоненты познания во многих различных задачах. Соединяя эти «когнитивные конструкторы», мозг способен создавать новые задачи».
Исследование было опубликовано 26 ноября в журнале Nature.
Композиционность: создание новых навыков на основе уже имеющихся
Люди часто осваивают что-то новое, опираясь на уже имеющиеся у них смежные навыки. Например, человек, умеющий обслуживать велосипед, может легче освоить ремонт мотоцикла. Ученые называют этот процесс сборки новых навыков из более простых, существующих навыков композиционностью.
«Если вы уже умеете печь хлеб, вы можете использовать это умение, чтобы испечь торт, не переучиваясь с нуля», — говорит Сина Тафазоли, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Бушмана в Принстоне и ведущий автор нового исследования. «Вы переосмысливаете существующие навыки — использование духовки, измерение ингредиентов, замешивание теста — и сочетаете их с новыми, такими как взбивание теста и приготовление глазури, чтобы создать нечто совершенно иное».
Хотя композиционность считается центральным элементом гибкости человека, данные о том, как мозг её реализует, ограничены и иногда противоречивы.
Чтобы более подробно изучить эту идею, Тафазоли обучил двух самцов макак-резусов выполнению трёх связанных задач, одновременно регистрируя активность их мозга.
Как обезьяны помогли раскрыть стратегию обучения мозга
Вместо реальных задач, таких как ремонт автомобилей или выпечка, обезьяны выполняли задания на визуальную категоризацию. Им показывали на экране разноцветные, похожие на воздушные шарики пятна и просили решить, больше ли каждое пятно похоже на кролика или на букву «Т» (категоризируя форму), или же оно кажется более красным или более зеленым (категоризируя цвет).
Сложность значительно варьировалась от попытки к попытке. Некоторые изображения сильно напоминали кролика или были явно окрашены в красный цвет, в то время как другие были неоднозначными и требовали гораздо более тщательной оценки.
Чтобы сообщить о своем решении, каждая обезьяна переводила взгляд в одном из четырех направлений. В одном задании взгляд влево указывал на «кролика», а взгляд вправо — на «Т».
Ключевым аспектом экспериментального дизайна было то, что каждое задание имело свои собственные правила, но также имело общие компоненты с другими. В одном из заданий на определение цвета и в задании на определение формы животным требовалось смотреть в одном и том же направлении, чтобы записать свои ответы, в то время как оба задания на определение цвета включали в себя классификацию цвета одинаковым образом (как более красный или более зеленый), несмотря на то, что требуемые направления взгляда для записи этих цветовых оценок различались.
Эта структура позволила исследователям определить, использует ли мозг одни и те же паттерны нейронной активности или когнитивные строительные блоки всякий раз, когда задачи включают перекрывающиеся элементы.
Префронтальная кора содержит многократно используемые когнитивные блоки
Когда Тафазоли и Бушман исследовали активность мозга, они обнаружили, что префронтальная кора, область, участвующая в высокоуровневом мышлении, содержит множество повторяющихся паттернов нейронной активности. Эти паттерны проявлялись в разных задачах всякий раз, когда нейроны работали над достижением общей цели, такой как различение цветов.
Бушман назвал эти общие паттерны «когнитивным конструктором Lego» мозга — набором строительных блоков, которые можно собирать различными способами для создания новых моделей поведения.
«Я думаю о когнитивном блоке как о функции в компьютерной программе», — сказал Бушман. «Один набор нейронов может различать цвета, и его выходные сигналы могут быть сопоставлены с другой функцией, которая управляет действием. Такая организация позволяет мозгу выполнять задачу, последовательно выполняя каждый компонент этой задачи».
Например, в одной из задач на определение цвета мозг объединил блок, оценивающий цвет, с другим блоком, который направлял движения глаз в разных направлениях. Когда обезьяны переключались с оценки цветов на идентификацию форм, продолжая использовать схожие движения, мозг просто активировал блок для обработки форм вместе с тем же блоком для движения глаз.
Эта закономерность совместного использования была наиболее выражена в префронтальной коре и гораздо менее заметна в других областях мозга, что предполагает, что композиционность может быть специализированной функцией префронтальной коры.
Успокоение ненужных блоков помогает мозгу оставаться сосредоточенным
Тафазоли и Бушман также обнаружили, что префронтальная кора снижает активность определенных когнитивных блоков, когда они не требуются. Это, вероятно, помогает мозгу более эффективно сосредоточиться на той задаче, которая наиболее актуальна.
«Мозг обладает ограниченными возможностями когнитивного контроля, — говорит Тафазоли. — Вам приходится сжимать некоторые свои способности, чтобы сосредоточиться на тех, которые важны в данный момент. Например, сосредоточение на классификации форм на мгновение снижает способность к кодированию цвета, поскольку цель — различение форм, а не цвета».
Избирательная активация и подавление когнитивных блоков могут позволить мозгу избежать перегрузки и оставаться сосредоточенным на непосредственной цели.
