Τα γνωστικά μπλοκ είναι αυτά που δίνουν στον εγκέφαλο το πλεονέκτημά του έναντι της τεχνητής νοημοσύνης

Τα γνωστικά μπλοκ είναι αυτά που δίνουν στον εγκέφαλο το πλεονέκτημά του έναντι της τεχνητής νοημοσύνης

Η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να γράφει βραβευμένες εργασίες και να διαγνώσει ασθένειες με αξιοσημείωτη ακρίβεια, αλλά οι βιολογικοί εγκέφαλοι εξακολουθούν να έχουν το πάνω χέρι σε τουλάχιστον έναν κρίσιμο τομέα: την ευελιξία.

Για παράδειγμα, οι άνθρωποι μπορούν να προσαρμοστούν γρήγορα και σχετικά εύκολα σε νέες πληροφορίες και άγνωστες προκλήσεις - μαθαίνοντας νέο λογισμικό υπολογιστή, ακολουθώντας μια συνταγή ή μαθαίνοντας ένα νέο παιχνίδι - ενώ τα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης δυσκολεύονται να μάθουν εν κινήσει.

Σε μια νέα μελέτη, οι νευροεπιστήμονες του Πρίνστον ανακαλύπτουν έναν λόγο για τον οποίο ο εγκέφαλος έχει πλεονέκτημα έναντι της τεχνητής νοημοσύνης: Επαναχρησιμοποιεί τα ίδια γνωστικά «μπλοκ» σε πολλές διαφορετικές εργασίες. Συνδυάζοντας και ανασυνδυάζοντας αυτά τα μπλοκ, ο εγκέφαλος μπορεί να αναπτύξει γρήγορα νέες συμπεριφορές.

Τα τελευταίας τεχνολογίας μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης μπορούν να επιτύχουν ανθρώπινη ή ακόμα και υπεράνθρωπη απόδοση σε μεμονωμένες εργασίες. Όμως δυσκολεύονται να μάθουν και να εκτελούν πολλές διαφορετικές εργασίες. Διαπιστώσαμε ότι ο εγκέφαλος είναι ευέλικτος επειδή μπορεί να επαναχρησιμοποιήσει στοιχεία της γνώσης σε πολλές διαφορετικές εργασίες. Συνδυάζοντας αυτά τα «γνωστικά μπλοκ Lego», ο εγκέφαλος είναι σε θέση να αναπτύξει νέες εργασίες».

Tim Buschman, Ph.D., ανώτερος συγγραφέας της μελέτης και αναπληρωτής διευθυντής του Princeton Neuroscience Institute

Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στις 26 Νοεμβρίου στο περιοδικό Nature.

Επαναχρησιμοποίηση δεξιοτήτων για νέες προκλήσεις

Αν κάποιος ξέρει πώς να επισκευάζει ένα ποδήλατο, ίσως η επισκευή μιας μοτοσυκλέτας να είναι πιο φυσιολογική. Αυτή η ικανότητα να μαθαίνεις κάτι νέο επαναχρησιμοποιώντας απλούστερες δεξιότητες από σχετικές εργασίες είναι αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν συνθετικότητα.

«Εάν ξέρετε ήδη πώς να ψήνετε ψωμί, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτή τη δεξιότητα για να ψήσετε ένα κέικ χωρίς να χρειάζεται να μάθετε το ψήσιμο από την αρχή», δήλωσε η Sina Tafazoli, Ph.D., μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο εργαστήριο Buschman στο Πρίνστον και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης. "Παίρνετε τις υπάρχουσες δεξιότητες - χειρισμό φούρνου, μέτρηση υλικών, ζύμωμα ζύμης - και τις συνδυάζετε με νέες δεξιότητες, όπως το να χτυπάτε τη ζύμη και να κάνετε γλάσο, για να δημιουργήσετε κάτι εντελώς διαφορετικό."

Ωστόσο, υπάρχουν περιορισμένα και μερικές φορές αντιφατικά στοιχεία για το πώς ο εγκέφαλος επιτυγχάνει τέτοια γνωστική ευελιξία.

Για να διευκρινίσει πώς ο εγκέφαλος επιτυγχάνει την εφευρετικότητά του, ο Tafazoli εκπαίδευσε δύο αρσενικούς πιθήκους rhesus να εκτελούν τρεις σχετικές εργασίες ενώ παρακολουθούνταν η εγκεφαλική τους δραστηριότητα.

Αντί να ψήνουν ψωμί ή να επισκευάζουν ποδήλατα, οι πίθηκοι ολοκλήρωσαν τρεις εργασίες κατηγοριοποίησης. Παρόμοια με την προσπάθεια αποκρυπτογράφησης της συχνά διφορούμενης ορθογραφίας μιας χειρόγραφης σημείωσης γιατρού, οι πίθηκοι έπρεπε να κρίνουν εάν μια πολύχρωμη σταγόνα που έμοιαζε με μπαλόνι σε μια οθόνη μπροστά τους έμοιαζε περισσότερο με κουνέλι ή με το γράμμα "T" (κατηγοριοποίηση σχήματος) ή αν ήταν πιο κόκκινο ή πράσινο (κατηγοριοποίηση χρωμάτων).

Το έργο ήταν απατηλά δύσκολο: οι σταγόνες διέφεραν ως προς την ασάφειά τους, μερικές φορές προφανώς έμοιαζαν με ένα κουνέλι ή ένα βαθύ κόκκινο, ενώ άλλες φορές οι διαφορές ήταν λεπτές.

Για να δείξουν τι σχήμα ή χρώμα πίστευαν ότι ήταν η σταγόνα, ένας πίθηκος βουίζει σαν απάντηση κοιτάζοντας προς μία από τις τέσσερις διαφορετικές κατευθύνσεις. Σε μια εργασία, το να κοιτάξει προς τα αριστερά σήμαινε ότι το ζώο είδε ένα κουνελάκι, ενώ κοιτάζοντας προς τα δεξιά έδειχνε ότι έμοιαζε περισσότερο με "Τ".

Ένα βασικό χαρακτηριστικό του σχεδιασμού ήταν ότι ενώ κάθε εργασία ήταν μοναδική, μοιράζονταν επίσης ορισμένα στοιχεία με τις άλλες εργασίες.

Μία από τις εργασίες χρώματος και η εργασία σχήματος απαιτούσαν να κοιτάξει προς τις ίδιες κατευθύνσεις, ενώ και οι δύο χρωματικές εργασίες απαιτούσαν από το ζώο να κατηγοριοποιήσει το χρώμα με τον ίδιο τρόπο (είτε περισσότερο κόκκινο είτε πιο πράσινο), αλλά έπρεπε να κοιτάξει σε διαφορετικές κατευθύνσεις για να κρίνει την απόχρωση του.

Αυτός ο πειραματικός σχεδιασμός επέτρεψε στους ερευνητές να ελέγξουν εάν ο εγκέφαλος επαναχρησιμοποιεί νευρικά μοτίβα -τα γνωστικά δομικά στοιχεία του- κατά τη διάρκεια εργασιών με κοινά στοιχεία.

Τα μπλοκ χτίζουν γνωστική ευελιξία

Μετά την ανάλυση των μοτίβων δραστηριότητας σε όλο τον εγκέφαλο, οι Tafazoli και Buschman διαπίστωσαν ότι ο προμετωπιαίος φλοιός - μια περιοχή στο μπροστινό μέρος του εγκεφάλου που εμπλέκεται στην ανώτερη γνωστική λειτουργία - περιείχε πολλαπλά κοινά, επαναχρησιμοποιήσιμα μοτίβα δραστηριότητας στους νευρώνες που λειτουργούσαν προς έναν κοινό στόχο, όπως η διάκριση χρώματος.

Ο Buschman τα περιέγραψε ως τα «γνωστικά Lego» του εγκεφάλου - δομικά στοιχεία που μπορούν να συνδυαστούν ευέλικτα για να δημιουργήσουν νέες συμπεριφορές.

«Σκέφτομαι ένα γνωστικό μπλοκ όπως μια λειτουργία σε ένα πρόγραμμα υπολογιστή», είπε ο Buschman. "Μια ομάδα νευρώνων θα μπορούσε να διακρίνει τα χρώματα και η έξοδος τους θα μπορούσε να αντιστοιχιστεί σε μια άλλη λειτουργία που ενεργοποιεί μια ενέργεια. Αυτή η οργάνωση επιτρέπει στον εγκέφαλο να εκτελέσει μια εργασία εκτελώντας κάθε στοιχείο αυτής της εργασίας με τη σειρά."

Για να εκτελέσει μία από τις εργασίες χρώματος, το ζώο συναρμολόγησε ένα μπλοκ που υπολόγιζε το χρώμα της εικόνας με ένα άλλο μπλοκ που κινούσε τα μάτια σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Κατά την εναλλαγή εργασιών, όπως η εναλλαγή από χρώματα σε σχήματα, ο εγκέφαλος απλώς ενώνει τα σχετικά μπλοκ για να υπολογίσει το σχήμα και να κάνει τις ίδιες κινήσεις των ματιών.

Αυτή η απελευθέρωση μπλοκ παρατηρήθηκε σε μεγάλο βαθμό στον προμετωπιαίο φλοιό και όχι σε άλλες περιοχές του εγκεφάλου, υποδηλώνοντας ότι αυτός ο τύπος σύνθεσης είναι μια ειδική ιδιότητα αυτής της περιοχής.

Οι Tafazoli και Buschman διαπίστωσαν επίσης ότι ο προμετωπιαίος φλοιός καθαρίζει τα γνωστικά μπλοκ όταν δεν χρησιμοποιείται, βοηθώντας πιθανότατα τον εγκέφαλο να επικεντρωθεί καλύτερα στη σχετική εργασία.

«Ο εγκέφαλος έχει περιορισμένη ικανότητα για γνωστικό έλεγχο», είπε ο Tafazoli. "Πρέπει να συμπυκνώσετε ορισμένες από τις δεξιότητές σας, ώστε να μπορείτε να εστιάσετε σε εκείνες που είναι σημαντικές αυτήν τη στιγμή. Για παράδειγμα, η εστίαση στην κατηγοριοποίηση σχημάτων μειώνει προσωρινά την ικανότητα κωδικοποίησης των χρωμάτων, επειδή ο στόχος είναι η διάκριση σχήματος, όχι το χρώμα."

Ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος μάθησης – για την τεχνητή νοημοσύνη και για την κλινική

Αυτά τα γνωστικά μπλοκ Lego θα μπορούσαν να εξηγήσουν γιατί οι άνθρωποι μαθαίνουν νέες εργασίες τόσο γρήγορα. Βασιζόμενος σε υπάρχοντα νοητικά στοιχεία, ο εγκέφαλος ελαχιστοποιεί την περιττή μάθηση - ένα τέχνασμα που τα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης δεν έχουν ακόμη κατακτήσει.

"Ένα μεγάλο πρόβλημα στη μηχανική μάθηση είναι η καταστροφική αποτυχία", είπε ο Tafazoli. "Όταν ένα μηχάνημα ή ένα νευρωνικό δίκτυο μαθαίνει κάτι νέο, ξεχνάει και αντικαθιστά προηγούμενες μνήμες. Εάν ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο ξέρει πώς να ψήνει ένα κέικ, αλλά στη συνέχεια μάθει να ψήνει μπισκότα, θα ξεχάσει πώς να ψήνει ένα κέικ."

Στο μέλλον, η ενσωμάτωση της σύνθεσης στην τεχνητή νοημοσύνη θα μπορούσε να βοηθήσει στη δημιουργία συστημάτων που μαθαίνουν συνεχώς νέες δεξιότητες χωρίς να ξεχνάνε τις παλιές.

Το ίδιο εύρημα θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στη βελτίωση της ιατρικής για άτομα με νευρολογικές και ψυχιατρικές διαταραχές. Καταστάσεις όπως η σχιζοφρένεια, η ιδεοψυχαναγκαστική διαταραχή και ορισμένοι εγκεφαλικοί τραυματισμοί συχνά βλάπτουν την ικανότητα ενός ατόμου να εφαρμόζει γνωστές δεξιότητες σε νέα πλαίσια—πιθανώς λόγω διαταραχών στον ανασυνδυασμό των γνωστικών δομικών στοιχείων του εγκεφάλου.

«Φανταστείτε ότι μπορείτε να βοηθήσετε τους ανθρώπους να ανακτήσουν την ικανότητα να αλλάζουν στρατηγικές, να μαθαίνουν νέες ρουτίνες ή να προσαρμοστούν στην αλλαγή», είπε ο Tafazoli. «Μακροπρόθεσμα, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος επαναχρησιμοποιεί και ανασυνδυάζει τη γνώση θα μπορούσε να μας βοηθήσει να αναπτύξουμε θεραπείες που αποκαθιστούν αυτή τη διαδικασία».

Πηγές: