Kognitive Blockaden machen den Vorteil des Gehirns gegenüber der KI aus

Kognitive Blockaden machen den Vorteil des Gehirns gegenüber der KI aus

Künstliche Intelligenz mag preisgekrönte Aufsätze schreiben und Krankheiten mit bemerkenswerter Genauigkeit diagnostizieren, aber biologische Gehirne haben in mindestens einem entscheidenden Bereich immer noch die Oberhand: Flexibilität.

Menschen können sich beispielsweise schnell und relativ einfach an neue Informationen und unbekannte Herausforderungen anpassen – indem sie neue Computersoftware erlernen, einem Rezept folgen oder ein neues Spiel erlernen –, während KI-Systeme Schwierigkeiten haben, „on the fly“ zu lernen.

In einer neuen Studie entdecken Neurowissenschaftler aus Princeton einen Grund für den Vorteil des Gehirns gegenüber der KI: Es verwendet dieselben kognitiven „Blockaden“ bei vielen verschiedenen Aufgaben wieder. Durch die Kombination und Neukombination dieser Blöcke kann das Gehirn schnell neue Verhaltensweisen entwickeln.

Hochmoderne KI-Modelle können bei einzelnen Aufgaben menschliche oder sogar übermenschliche Leistungen erbringen. Aber es fällt ihnen schwer, viele verschiedene Aufgaben zu lernen und auszuführen. Wir haben herausgefunden, dass das Gehirn flexibel ist, weil es Komponenten der Kognition bei vielen verschiedenen Aufgaben wiederverwenden kann. Durch das Zusammensetzen dieser „kognitiven Legosteine“ ist das Gehirn in der Lage, neue Aufgaben zu entwickeln.“

Tim Buschman, Ph.D., leitender Autor der Studie und stellvertretender Direktor des Princeton Neuroscience Institute

Die Ergebnisse wurden am 26. November in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Fähigkeiten für neue Herausforderungen wiederverwenden

Wenn jemand weiß, wie man ein Fahrrad repariert, ist die Reparatur eines Motorrads vielleicht natürlicher. Diese Fähigkeit, etwas Neues zu lernen, indem man einfachere Fähigkeiten aus verwandten Aufgaben wiederverwendet, nennen Wissenschaftler Kompositionalität.

„Wenn Sie bereits wissen, wie man Brot backt, können Sie diese Fähigkeit nutzen, um einen Kuchen zu backen, ohne das Backen von Grund auf neu erlernen zu müssen“, sagte Sina Tafazoli, Ph.D., Postdoktorandin im Buschman-Labor in Princeton und Hauptautorin der neuen Studie. „Man nutzt vorhandene Fertigkeiten – einen Ofen bedienen, Zutaten abmessen, Teig kneten – und kombiniert sie mit neuen Fertigkeiten, etwa dem Schlagen von Teig und dem Zubereiten von Zuckerguss, um etwas völlig anderes zu erschaffen.“

Es gibt jedoch nur begrenzte und manchmal widersprüchliche Beweise dafür, wie das Gehirn eine solche kognitive Flexibilität erreicht.

Um zu klären, wie das Gehirn seinen Einfallsreichtum erreicht, trainierte Tafazoli zwei männliche Rhesusaffen, drei verwandte Aufgaben auszuführen, während ihre Gehirnaktivität überwacht wurde.

Anstatt Brot zu backen oder Fahrräder zu reparieren, erledigten die Affen drei Kategorisierungsaufgaben. Ähnlich wie beim Versuch, die oft mehrdeutige Schreibweise eines handgeschriebenen Arztbriefes zu entschlüsseln, mussten die Affen beurteilen, ob ein bunter, ballonartiger Klecks auf einem Bildschirm vor ihnen eher wie ein Hase oder der Buchstabe „T“ aussah (Kategorisierung der Form) oder ob er eher rot oder grün war (Kategorisierung der Farbe).

Die Aufgabe war trügerisch schwierig: Die Kleckse unterschieden sich in ihrer Mehrdeutigkeit, manchmal ähnelten sie offensichtlich einem Hasen oder einem satten Rot, während die Unterschiede manchmal subtil waren.

Um anzuzeigen, welche Form oder Farbe der Klecks ihrer Meinung nach hatte, summte ein Affe als Antwort, indem er in eine der vier verschiedenen Richtungen blickte. Bei einer Aufgabe bedeutete ein Blick nach links, dass das Tier ein Häschen sah, während ein Blick nach rechts darauf hindeutete, dass es eher wie ein „T“ aussah.

Ein wesentliches Merkmal des Designs bestand darin, dass zwar jede Aufgabe einzigartig war, sie aber auch bestimmte Elemente mit den anderen Aufgaben gemeinsam hatten.

Bei einer der Farbaufgaben und der Formaufgabe war es erforderlich, in die gleichen Richtungen zu schauen, während bei beiden Farbaufgaben das Tier die Farbe auf die gleiche Weise kategorisieren musste (entweder mehr rot oder mehr grün), aber in unterschiedliche Richtungen schauen musste, um seinen Farbton beurteilen zu können.

Mit diesem experimentellen Design konnten die Forscher testen, ob das Gehirn neuronale Muster – seine kognitiven Bausteine ​​– bei Aufgaben mit gemeinsamen Komponenten wiederverwendet.

Blöcke bauen kognitive Flexibilität auf

Nach der Analyse von Aktivitätsmustern im gesamten Gehirn stellten Tafazoli und Buschman fest, dass der präfrontale Kortex – eine Region an der Vorderseite des Gehirns, die an höherer Kognition beteiligt ist – mehrere gemeinsame, wiederverwendbare Aktivitätsmuster über Neuronen hinweg enthielt, die auf ein gemeinsames Ziel hinarbeiteten, beispielsweise die Farbunterscheidung.

Buschman beschrieb diese als „kognitive Legos“ des Gehirns – Bausteine, die flexibel kombiniert werden können, um neue Verhaltensweisen zu schaffen.

„Ich denke an eine kognitive Blockade wie eine Funktion in einem Computerprogramm“, sagte Buschman. „Eine Gruppe von Neuronen könnte Farben unterscheiden, und ihre Ausgabe kann auf eine andere Funktion abgebildet werden, die eine Aktion auslöst. Diese Organisation ermöglicht es dem Gehirn, eine Aufgabe auszuführen, indem es nacheinander jede Komponente dieser Aufgabe ausführt.“

Um eine der Farbaufgaben auszuführen, setzte das Tier einen Block, der die Farbe des Bildes berechnete, mit einem anderen Block zusammen, der die Augen in verschiedene Richtungen bewegte. Beim Wechseln von Aufgaben, beispielsweise beim Wechsel von Farben zu Formen, fügte das Gehirn einfach die relevanten Blöcke zusammen, um die Form zu berechnen und die gleichen Augenbewegungen auszuführen.

Diese Blockfreigabe wurde größtenteils im präfrontalen Kortex und nicht in anderen Gehirnregionen beobachtet, was darauf hindeutet, dass diese Art der Kompositionalität eine besondere Eigenschaft dieses Bereichs ist.

Tafazoli und Buschman fanden außerdem heraus, dass der präfrontale Kortex kognitive Blockaden beseitigt, wenn sie nicht verwendet werden, was dem Gehirn wahrscheinlich dabei hilft, sich besser auf die relevante Aufgabe zu konzentrieren.

„Das Gehirn hat eine begrenzte Fähigkeit zur kognitiven Kontrolle“, sagte Tafazoli. „Sie müssen einige Ihrer Fähigkeiten komprimieren, damit Sie sich auf die konzentrieren können, die gerade wichtig sind. Wenn Sie sich beispielsweise auf die Kategorisierung von Formen konzentrieren, verringert sich vorübergehend die Fähigkeit, Farben zu kodieren, da das Ziel die Formunterscheidung und nicht die Farbe ist.“

Eine effizientere Art zu lernen – für KI und für die Klinik

Diese kognitiven Legosteine ​​könnten erklären, warum Menschen neue Aufgaben so schnell lernen. Indem das Gehirn auf vorhandene mentale Komponenten zurückgreift, minimiert es redundantes Lernen – ein Trick, den KI-Systeme noch beherrschen müssen.

„Ein großes Problem beim maschinellen Lernen sind katastrophale Störungen“, sagte Tafazoli. „Wenn eine Maschine oder ein neuronales Netzwerk etwas Neues lernt, vergessen sie frühere Erinnerungen und überschreiben sie. Wenn ein künstliches neuronales Netzwerk weiß, wie man einen Kuchen backt, dann aber lernt, Kekse zu backen, wird es vergessen, wie man einen Kuchen backt.“

In Zukunft könnte die Integration der Kompositionalität in die KI dazu beitragen, Systeme zu schaffen, die kontinuierlich neue Fähigkeiten erlernen, ohne alte zu vergessen.

Die gleiche Erkenntnis könnte auch dazu beitragen, die Medizin für Menschen mit neurologischen und psychiatrischen Störungen zu verbessern. Erkrankungen wie Schizophrenie, Zwangsstörungen und bestimmte Hirnverletzungen beeinträchtigen häufig die Fähigkeit einer Person, bekannte Fähigkeiten in neuen Kontexten anzuwenden – möglicherweise aufgrund von Störungen bei der Neukombination der kognitiven Bausteine ​​des Gehirns.

„Stellen Sie sich vor, Sie könnten Menschen dabei helfen, die Fähigkeit wiederzugewinnen, Strategien zu ändern, neue Routinen zu erlernen oder sich an Veränderungen anzupassen“, sagte Tafazoli. „Langfristig könnte uns das Verständnis, wie das Gehirn Wissen wiederverwendet und neu kombiniert, dabei helfen, Therapien zu entwickeln, die diesen Prozess wiederherstellen.“

Quellen: