Найдено объяснение недостижимой для ИИ гибкости мозга
Искусственный интеллект достиг впечатляющих высот, но живой все еще во многом превосходит его. Среди прочих преимуществ мозга — невероятная гибкость.
Ее нейробиологические основы стали предметом изучения в Принстонском институте нейронауки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
«Современные модели ИИ могут достигать человеческого или даже сверхчеловеческого уровня в рамках одной задачи. Но они с трудом справляются с одновременным изучением и выполнением множества различных задач, — говорит профессор Тим Бушман, старший автор исследования. — Мы выяснили, что мозг гибок потому, что может использовать одни и те же когнитивные компоненты в разных задачах. Соединяя эти "лего", мозг способен конструировать новые поведенческие акты».
Если человек умеет чинить велосипед, то, вероятно, ему будет проще разобраться и с мотоциклом. Эта способность осваивать новое, перепрофилируя уже имеющиеся, более простые навыки, называется композиционностью.
«Если вы уже умеете печь хлеб, то сможете сделать и торт, не начиная учиться печь с нуля, — объясняет Сина Тафазоли, ведущий автор исследования. — Вы используете уже имеющиеся навыки — работу с духовкой, отмеривание ингредиентов, замес теста — и комбинируете их с новыми, например, взбиванием крема и приготовлением глазури, чтобы создать нечто совершенно иное».
Ответы взглядом
Для изучения нейробиологических основ композиционности взяли двух самцов макак-резусов и вживили им микроэлектроды для мониторинга активности нейронов в пяти областях мозга.
Вместо выпечки хлеба или починки мотоциклов, обезьяны выполняли три задачи на категоризацию. Аналогично тому, как мы пытаемся разобрать неразборчивый почерк врача, им нужно было определить, на что похоже бесформенное пятно на экране, и уточнить его цвет.
Задача была обманчиво сложной: «пятна» варьировались по степени неоднозначности — иногда они были отчетливо похожи на кролика или имели насыщенный красный цвет, а в других случаях различия были едва уловимы.
Макаки отвечали взглядом, переводя его в одном из четырех направлений. Например: влево — картинка похожа на кролика, вправо — на букву «Т».
Ключевая особенность эксперимента — каждая задача уникальна, но у всех были общие элементы. Так, одна из задач на цвет и задача на форму требовали от животного смотреть в одном и том же направлении для ответа. В то же время обе задачи на цвет требовали одинаковой категоризации («красный/зеленый»), но отвечать нужно было, глядя в разные стороны.
Такой дизайн эксперимента позволил проверить, действительно ли мозг повторно использует нейронные паттерны — свои «когнитивные кирпичики» — в задачах с общими компонентами.
Место, где соединяются блоки
Проанализировав паттерны активности в разных отделах мозга, Тафазоли и Бушман обнаружили, что префронтальная кора, отвечающая за сложные когнитивные функции, содержит универсальные, многократно используемые паттерны активности нейронов, работающих на общую цель, например, на различение цвета.
Бушман описывает их как «когнитивные лего» мозга — функциональные блоки, которые можно гибко комбинировать для создания нового поведения.
«Я представляю когнитивный блок как функцию в компьютерной программе. Одна группа нейронов может различать цвет, и ее результат передается другой функции, которая управляет действием. Такая организация позволяет мозгу выполнять задачу, последовательно активируя каждый ее компонент», — объясняет он.
Чтобы выполнить одну из цветовых задач, мозг соединяет блок, определяющий цвет изображения, с блоком, управляющим движением глаз в определенном направлении.
При смене задачи, например, с цвета на форму, мозг просто пересобирает схему, подключая блок определения формы к тому же блоку управления движением глаз.
Это совместное использование блоков в основном наблюдалось именно в префронтальной коре, а не в других областях мозга, что позволяет предположить, что такого рода композиционность является ее уникальным свойством.
Выяснилось также, что префронтальная кора подавляет активность когнитивных блоков, когда они не используются. Вероятно, это помогает мозгу лучше сконцентрироваться на текущей задаче.
«Способность мозга к когнитивному контролю ограничена. Нам приходится ухудшать одни свои способности, чтобы сфокусироваться на тех, что важны в данный момент. Например, фокусировка на категоризации формы временно ослабляет способность кодировать цвет, потому что цель — именно различение форм, а не цвета», — подчеркивает Тафазоли.
Что дальше
Существование «когнитивных кубиков» может объяснять, почему люди так быстро обучаются новым задачам. Опираясь на уже имеющиеся ментальные компоненты, мозг сводит к минимуму избыточное обучение — трюк, который еще предстоит освоить системам ИИ.
«Главная проблема машинного обучения — это катастрофическая забывчивость. Когда машина или нейросеть изучают что-то новое, они забывают и перезаписывают предыдущие воспоминания. Если искусственная нейросеть умеет печь торт, а затем ее учат готовить печенье, она забудет, как делать торт», — говорит исследователь.
В будущем внедрение принципа композиционности в ИИ поможет в разработке систем, которые способны постоянно обучаться новым навыкам, не забывая старых.
Это же открытие может найти применение и в медицине, помогая людям с неврологическими и психиатрическими расстройствами. Такие состояния, как шизофрения, обсессивно-компульсивное расстройство и некоторые травмы мозга, часто нарушают способность человека применять известные навыки в новых контекстах. Возможно, это связано как раз с нарушением процесса перекомбинации «когнитивного лего».
