Kognitivní bloky jsou to, co dává mozku výhodu nad AI

Kognitivní bloky jsou to, co dává mozku výhodu nad AI

Umělá inteligence může psát oceněné práce a diagnostikovat nemoci s pozoruhodnou přesností, ale biologické mozky mají stále navrch alespoň v jedné klíčové oblasti: flexibilita.

Lidé se například mohou rychle a relativně snadno přizpůsobit novým informacím a neznámým výzvám – tím, že se naučí nový počítačový software, budou se řídit receptem nebo se naučí novou hru – zatímco systémy AI mají potíže s učením za běhu.

V nové studii objevili neurovědci z Princetonu jeden důvod, proč má mozek výhodu oproti AI: Znovu používá stejné kognitivní „bloky“ v mnoha různých úkolech. Kombinací a rekombinací těchto bloků může mozek rychle vyvinout nové chování.

Nejmodernější modely umělé inteligence mohou v jednotlivých úkolech dosahovat lidského nebo dokonce nadlidského výkonu. Ale je pro ně obtížné se učit a vykonávat mnoho různých úkolů. Zjistili jsme, že mozek je flexibilní, protože může znovu využívat složky poznání v mnoha různých úkolech. Spojením těchto „kognitivních Lego bloků“ je mozek schopen vyvinout nové úkoly.

Tim Buschman, Ph.D., hlavní autor studie a zástupce ředitele Princetonského institutu neurověd

Výsledky byly zveřejněny 26. listopadu v časopise Nature.

Znovu použijte dovednosti pro nové výzvy

Pokud někdo ví, jak opravit kolo, možná je oprava motorky přirozenější. Tato schopnost naučit se něco nového opětovným použitím jednodušších dovedností ze souvisejících úkolů je to, co vědci nazývají kompoziční.

"Pokud již víte, jak péct chléb, můžete tuto dovednost použít k pečení dortu, aniž byste se museli učit pečení od nuly," řekla Sina Tafazoli, Ph.D., postdoktorandka v Buschmanově laboratoři v Princetonu a hlavní autorka nové studie. „Vezmete stávající dovednosti – ovládání trouby, měření ingrediencí, hnětení těsta – a spojíte je s novými dovednostmi, jako je šlehání těsta a příprava polevy, abyste vytvořili něco úplně jiného.“

Existují však omezené a někdy protichůdné důkazy o tom, jak mozek dosahuje takové kognitivní flexibility.

Aby objasnil, jak mozek dosahuje své vynalézavosti, vycvičil Tafazoli dva samce opic rhesus k provádění tří souvisejících úkolů, zatímco byla sledována jejich mozková aktivita.

Místo pečení chleba nebo opravy kol plnily opice tři kategorizační úkoly. Podobně jako při pokusu o rozluštění často nejednoznačného pravopisu ručně psané poznámky od lékaře musely opice posoudit, zda barevná, balónovitá skvrna na obrazovce před nimi vypadá spíše jako králík nebo písmeno „T“ (kategorizace tvaru), nebo zda je více červená nebo zelená (kategorizace barev).

Úkol byl zdánlivě obtížný: kuličky se lišily svou nejednoznačností, někdy zjevně připomínaly králíka nebo tmavě červenou, zatímco jindy byly rozdíly jemné.

Aby naznačili, jaký tvar nebo barvu považovali za skvrnu, opice zahučela a podívala se jedním ze čtyř různých směrů. V jednom úkolu znamenalo, že pohled doleva zvíře vidělo zajíčka, zatímco pohled vpravo naznačoval, že to vypadá spíše jako „T“.

Klíčovým rysem návrhu bylo, že i když byl každý úkol jedinečný, sdílely určité prvky s ostatními úkoly.

Jeden z barevných úkolů a úkol s tvarem vyžadovaly pohled ve stejných směrech, zatímco oba barevné úkoly vyžadovaly, aby zvíře kategorizovalo barvu stejným způsobem (buď více červené nebo více zelené), ale muselo se dívat různými směry, aby posoudilo její odstín.

Tento experimentální design umožnil výzkumníkům otestovat, zda mozek znovu používá neurální vzorce – své kognitivní stavební kameny – během úkolů se společnými součástmi.

Bloky budují kognitivní flexibilitu

Po analýze vzorců aktivity napříč mozkem Tafazoli a Buschman zjistili, že prefrontální kortex – oblast v přední části mozku zapojená do vyšší kognice – obsahuje mnoho společných, opakovaně použitelných vzorců aktivity napříč neurony, které vedly ke společnému cíli, jako je rozlišování barev.

Buschman je popsal jako mozkové „kognitivní Lego“ – stavební bloky, které lze flexibilně kombinovat a vytvářet nové chování.

"Myslím na kognitivní blok jako funkci v počítačovém programu," řekl Buschman. "Skupina neuronů mohla rozlišovat barvy a jejich výstup by mohl být mapován na jinou funkci, která spouští akci. Tato organizace umožňuje mozku vykonávat úkol tím, že postupně provádí každou složku tohoto úkolu."

K provedení jednoho z barevných úkolů zvíře sestavilo blok, který vypočítal barvu obrázku s dalším blokem, který pohyboval očima v různých směrech. Při přepínání úkolů, jako je přepínání z barev na tvary, mozek jednoduše poskládá příslušné bloky dohromady, aby vypočítal tvar a provedl stejné pohyby očí.

Toto blokové uvolňování bylo z velké části pozorováno v prefrontálním kortexu a ne v jiných oblastech mozku, což naznačuje, že tento typ složení je zvláštní vlastností této oblasti.

Tafazoli a Buschman také zjistili, že prefrontální kortex odstraňuje kognitivní bloky, když se nepoužívá, což pravděpodobně pomáhá mozku lépe se soustředit na příslušný úkol.

"Mozek má omezenou kapacitu pro kognitivní kontrolu," řekl Tafazoli. "Musíte zhustit některé své dovednosti, abyste se mohli soustředit na ty, které jsou právě teď důležité. Například zaměření na kategorizaci tvarů dočasně snižuje schopnost kódovat barvy, protože cílem je rozlišování tvarů, nikoli barev."

Efektivnější způsob učení – pro umělou inteligenci i pro kliniku

Tyto kognitivní Lego bloky by mohly vysvětlit, proč se lidé učí nové úkoly tak rychle. Čerpáním existujících mentálních komponent mozek minimalizuje nadbytečné učení – trik, který systémy umělé inteligence ještě musí zvládnout.

„Velkým problémem strojového učení je katastrofické selhání,“ řekl Tafazoli. "Když se stroj nebo neuronová síť naučí něco nového, zapomene a přepíše předchozí vzpomínky. Pokud umělá neuronová síť ví, jak upéct dort, ale pak se naučí péct sušenky, zapomene, jak upéct dort."

V budoucnu by integrace složení do AI mohla pomoci vytvořit systémy, které se neustále učí novým dovednostem, aniž by zapomínaly na staré.

Stejné zjištění by také mohlo pomoci zlepšit medicínu pro lidi s neurologickými a psychiatrickými poruchami. Stavy, jako je schizofrenie, obsedantně-kompulzivní porucha a některá poranění mozku, často zhoršují schopnost člověka aplikovat známé dovednosti v nových kontextech – pravděpodobně kvůli poruchám v rekombinaci kognitivních stavebních bloků mozku.

„Představte si, že byste mohli pomoci lidem znovu získat schopnost změnit strategie, naučit se nové rutiny nebo se přizpůsobit změnám,“ řekl Tafazoli. “In the long term, understanding how the brain reuses and recombines knowledge could help us develop therapies that restore this process.”

Zdroje: