Kognitive blokeringer er det, der giver hjernen dens fordel i forhold til AI

Kognitive blokeringer er det, der giver hjernen dens fordel i forhold til AI

Kunstig intelligens kan skrive prisvindende artikler og diagnosticere sygdomme med bemærkelsesværdig nøjagtighed, men biologiske hjerner har stadig overhånd på mindst ét ​​afgørende område: fleksibilitet.

For eksempel kan mennesker hurtigt og relativt nemt tilpasse sig ny information og ukendte udfordringer – ved at lære ny computersoftware, følge en opskrift eller lære et nyt spil – mens AI-systemer har svært ved at lære i farten.

I en ny undersøgelse opdager Princeton-neurologer én grund til, at hjernen har en fordel i forhold til AI: Den genbruger de samme kognitive "blokke" på tværs af mange forskellige opgaver. Ved at kombinere og rekombinere disse blokke kan hjernen hurtigt udvikle ny adfærd.

State-of-the-art AI-modeller kan opnå menneskelig eller endda overmenneskelig præstation i individuelle opgaver. Men de har svært ved at lære og udføre mange forskellige opgaver. Vi fandt ud af, at hjernen er fleksibel, fordi den kan genbruge komponenter af kognition på tværs af mange forskellige opgaver. Ved at sætte disse "kognitive legoklodser" sammen, er hjernen i stand til at udvikle nye opgaver."

Tim Buschman, Ph.D., seniorforfatter af undersøgelsen og associeret direktør for Princeton Neuroscience Institute

Resultaterne blev offentliggjort den 26. november i tidsskriftet Nature.

Genbrug færdigheder til nye udfordringer

Hvis nogen ved, hvordan man reparerer en cykel, kommer reparation af en motorcykel måske mere naturligt. Denne evne til at lære noget nyt ved at genbruge enklere færdigheder fra relaterede opgaver er, hvad videnskabsmænd kalder kompositionalitet.

"Hvis du allerede ved, hvordan man bager brød, kan du bruge den færdighed til at bage en kage uden at skulle lære at bage fra bunden," sagde Sina Tafazoli, Ph.D., en postdoc-forsker i Buschman-laboratoriet i Princeton og hovedforfatter af det nye studie. "Du tager eksisterende færdigheder - at betjene en ovn, måle ingredienser, ælte dej - og kombinere dem med nye færdigheder, som at slå dej og lave frosting, for at skabe noget helt andet."

Der er dog begrænset og nogle gange modstridende beviser for, hvordan hjernen opnår en sådan kognitiv fleksibilitet.

For at afklare, hvordan hjernen opnår sin opfindsomhed, trænede Tafazoli to mandlige rhesusaber til at udføre tre relaterede opgaver, mens deres hjerneaktivitet blev overvåget.

I stedet for at bage brød eller reparere cykler gennemførte aberne tre kategoriseringsopgaver. I lighed med at forsøge at tyde den ofte tvetydige stavemåde af en håndskreven lægeseddel, skulle aberne vurdere, om en farverig, ballonlignende klat på en skærm foran dem lignede mere en kanin eller bogstavet "T" (formkategorisering), eller om det var mere rødt eller grønt (farvekategorisering).

Opgaven var vildledende vanskelig: klatterne varierede i deres tvetydighed, nogle gange lignede de tydeligvis en kanin eller en dyb rød, mens forskellene andre gange var subtile.

For at angive, hvilken form eller farve de troede, klatten var, nynnede en abe som svar ved at kigge i en af ​​fire forskellige retninger. I en opgave betød at kigge til venstre, at dyret så en kanin, mens et blik til højre tydede på, at det mere lignede et "T".

Et centralt træk ved designet var, at mens hver opgave var unik, delte de også visse elementer med de andre opgaver.

En af farveopgaverne og formopgaven krævede at se i samme retninger, mens begge farveopgaver krævede, at dyret skulle kategorisere farve på samme måde (enten mere rød eller mere grøn), men skulle se i forskellige retninger for at bedømme dens nuance.

Dette eksperimentelle design gjorde det muligt for forskere at teste, om hjernen genbruger neurale mønstre - dens kognitive byggesten - under opgaver med fælles komponenter.

Blokke opbygger kognitiv fleksibilitet

Efter at have analyseret aktivitetsmønstre på tværs af hjernen fandt Tafazoli og Buschman ud af, at den præfrontale cortex - en region foran på hjernen involveret i højere kognition - indeholdt flere almindelige, genanvendelige aktivitetsmønstre på tværs af neuroner, der arbejdede mod et fælles mål, såsom farvediskrimination.

Buschman beskrev disse som hjernens "kognitive Legos" - byggeklodser, der fleksibelt kan kombineres for at skabe ny adfærd.

"Jeg tænker på en kognitiv blok som en funktion i et computerprogram," sagde Buschman. "En gruppe af neuroner kunne skelne farver, og deres output kunne kortlægges til en anden funktion, der udløser en handling. Denne organisation gør det muligt for hjernen at udføre en opgave ved at udføre hver komponent af denne opgave på skift."

For at udføre en af ​​farveopgaverne samlede dyret en blok, der beregnede farven på billedet, med en anden blok, der flyttede øjnene i forskellige retninger. Når man skifter opgaver, såsom at skifte fra farver til former, sætter hjernen blot de relevante blokke sammen for at beregne formen og lave de samme øjenbevægelser.

Denne blokeringsfrigivelse blev stort set observeret i den præfrontale cortex og ikke i andre hjerneregioner, hvilket tyder på, at denne type sammensætning er en særlig egenskab ved dette område.

Tafazoli og Buschman fandt også ud af, at den præfrontale cortex fjerner kognitive blokeringer, når den ikke er i brug, hvilket sandsynligvis hjælper hjernen med bedre at fokusere på den relevante opgave.

"Hjernen har en begrænset kapacitet til kognitiv kontrol," sagde Tafazoli. "Du skal kondensere nogle af dine færdigheder, så du kan fokusere på dem, der er vigtige lige nu. For eksempel reducerer fokus på at kategorisere former midlertidigt muligheden for at indkode farver, fordi målet er formdiskrimination, ikke farve."

En mere effektiv måde at lære på – for AI og for klinikken

Disse kognitive legoklodser kunne forklare, hvorfor folk lærer nye opgaver så hurtigt. Ved at trække på eksisterende mentale komponenter minimerer hjernen overflødig læring – et trick, som AI-systemer endnu ikke har mestret.

"Et stort problem i maskinlæring er katastrofal fiasko," sagde Tafazoli. "Når en maskine eller et neuralt netværk lærer noget nyt, glemmer det og overskriver tidligere minder. Hvis et kunstigt neuralt netværk ved, hvordan man bager en kage, men derefter lærer at bage småkager, vil det glemme, hvordan man bager en kage."

I fremtiden vil integration af kompositionalitet i AI kunne hjælpe med at skabe systemer, der løbende lærer nye færdigheder uden at glemme de gamle.

Det samme fund kunne også hjælpe med at forbedre medicinen til mennesker med neurologiske og psykiatriske lidelser. Tilstande som skizofreni, obsessiv-kompulsiv lidelse og visse hjerneskader forringer ofte en persons evne til at anvende kendte færdigheder i nye sammenhænge – muligvis på grund af forstyrrelser i rekombinationen af ​​hjernens kognitive byggesten.

"Forestil dig at være i stand til at hjælpe folk med at genvinde evnen til at ændre strategier, lære nye rutiner eller tilpasse sig forandringer," sagde Tafazoli. "På lang sigt kan forståelsen af, hvordan hjernen genbruger og rekombinerer viden, hjælpe os med at udvikle terapier, der genopretter denne proces."

Kilder: