I blocchi cognitivi sono ciò che dà al cervello il suo vantaggio rispetto all’intelligenza artificiale

I blocchi cognitivi sono ciò che dà al cervello il suo vantaggio rispetto all’intelligenza artificiale

L’intelligenza artificiale può scrivere articoli pluripremiati e diagnosticare malattie con notevole precisione, ma i cervelli biologici hanno ancora il sopravvento in almeno un’area cruciale: la flessibilità.

Ad esempio, gli esseri umani possono adattarsi rapidamente e con relativa facilità a nuove informazioni e sfide sconosciute, imparando un nuovo software per computer, seguendo una ricetta o imparando un nuovo gioco, mentre i sistemi di intelligenza artificiale hanno difficoltà ad apprendere al volo.

In un nuovo studio, i neuroscienziati di Princeton scoprono uno dei motivi per cui il cervello ha un vantaggio rispetto all’intelligenza artificiale: riutilizza gli stessi “blocchi” cognitivi in ​​molti compiti diversi. Combinando e ricombinando questi blocchi, il cervello può sviluppare rapidamente nuovi comportamenti.

I modelli di intelligenza artificiale all’avanguardia possono raggiungere prestazioni umane o addirittura sovrumane in compiti individuali. Ma trovano difficile apprendere ed eseguire molti compiti diversi. Abbiamo scoperto che il cervello è flessibile perché può riutilizzare componenti della cognizione in molti compiti diversi. Mettendo insieme questi “blocchetti Lego cognitivi”, il cervello è in grado di sviluppare nuovi compiti”.

Tim Buschman, Ph.D., autore senior dello studio e direttore associato del Princeton Neuroscience Institute

I risultati sono stati pubblicati il ​​26 novembre sulla rivista Nature.

Riutilizzare le competenze per nuove sfide

Se qualcuno sa riparare una bicicletta, forse riparare una motocicletta gli verrà più naturale. Questa capacità di apprendere qualcosa di nuovo riutilizzando competenze più semplici da compiti correlati è ciò che gli scienziati chiamano composizionalità.

"Se sai già come cuocere il pane, puoi usare questa abilità per cuocere una torta senza dover imparare a cucinare da zero", ha detto Sina Tafazoli, Ph.D., ricercatrice post-dottorato nel laboratorio Buschman di Princeton e autrice principale del nuovo studio. "Prendi le abilità esistenti - far funzionare un forno, misurare gli ingredienti, impastare la pasta - e combinarle con nuove abilità, come sbattere l'impasto e fare la glassa, per creare qualcosa di completamente diverso."

Tuttavia, esistono prove limitate e talvolta contraddittorie su come il cervello raggiunga tale flessibilità cognitiva.

Per chiarire come il cervello raggiunga la sua ingegnosità, Tafazoli ha addestrato due scimmie rhesus maschi a svolgere tre compiti correlati mentre la loro attività cerebrale veniva monitorata.

Invece di cuocere il pane o riparare le biciclette, le scimmie hanno completato tre compiti di categorizzazione. Similmente al tentativo di decifrare l'ortografia spesso ambigua di una nota medica scritta a mano, le scimmie dovevano giudicare se una macchia colorata, simile a un palloncino, su uno schermo di fronte a loro somigliava più a un coniglio o alla lettera "T" (categorizzazione della forma), o se era più rossa o verde (categorizzazione del colore).

Il compito era ingannevolmente difficile: le macchie variavano nella loro ambiguità, a volte somigliavano ovviamente a un coniglio o a un rosso intenso, mentre altre volte le differenze erano sottili.

Per indicare quale forma o colore pensavano fosse la massa, una scimmia canticchiava in risposta guardando in una delle quattro direzioni diverse. In un compito, guardare a sinistra significava che l’animale vedeva un coniglio, mentre guardare a destra suggeriva che assomigliasse più a una “T”.

Una caratteristica chiave del progetto era che, sebbene ogni attività fosse unica, condivideva anche alcuni elementi con le altre attività.

Uno dei compiti sul colore e quello sulla forma richiedevano di guardare nelle stesse direzioni, mentre entrambi i compiti sul colore richiedevano all'animale di classificare il colore nello stesso modo (più rosso o più verde), ma doveva guardare in direzioni diverse per giudicarne la tonalità.

Questo disegno sperimentale ha permesso ai ricercatori di verificare se il cervello riutilizza i modelli neurali – i suoi elementi cognitivi – durante compiti con componenti comuni.

I blocchi costruiscono la flessibilità cognitiva

Dopo aver analizzato i modelli di attività nel cervello, Tafazoli e Buschman hanno scoperto che la corteccia prefrontale – una regione nella parte anteriore del cervello coinvolta nella cognizione superiore – conteneva molteplici modelli di attività comuni e riutilizzabili tra i neuroni che lavoravano verso un obiettivo comune, come la discriminazione del colore.

Buschman li ha descritti come i “Lego cognitivi” del cervello: elementi costitutivi che possono essere combinati in modo flessibile per creare nuovi comportamenti.

"Penso a un blocco cognitivo come a una funzione in un programma per computer", ha detto Buschman. "Un gruppo di neuroni potrebbe distinguere i colori e il loro output potrebbe essere mappato su un'altra funzione che innesca un'azione. Questa organizzazione consente al cervello di eseguire un compito eseguendo a turno ogni componente di quel compito."

Per eseguire uno dei compiti relativi al colore, l'animale ha assemblato un blocco che calcolava il colore dell'immagine con un altro blocco che muoveva gli occhi in direzioni diverse. Quando si cambiano compiti, come passare dai colori alle forme, il cervello semplicemente mette insieme i blocchi rilevanti per calcolare la forma ed eseguire gli stessi movimenti oculari.

Questo rilascio di blocchi è stato osservato in gran parte nella corteccia prefrontale e non in altre regioni del cervello, suggerendo che questo tipo di composizionalità è una proprietà speciale di quest’area.

Tafazoli e Buschman hanno anche scoperto che la corteccia prefrontale elimina i blocchi cognitivi quando non viene utilizzata, probabilmente aiutando il cervello a concentrarsi meglio sul compito rilevante.

"Il cervello ha una capacità limitata di controllo cognitivo", ha detto Tafazoli. "Devi condensare alcune delle tue abilità in modo da poterti concentrare su quelle che sono importanti in questo momento. Ad esempio, concentrarti sulla categorizzazione delle forme riduce temporaneamente la capacità di codificare i colori perché l'obiettivo è la discriminazione della forma, non il colore."

Un modo più efficiente di apprendere: per l’intelligenza artificiale e per la clinica

Questi blocchi cognitivi Lego potrebbero spiegare perché le persone imparano nuovi compiti così rapidamente. Attingendo alle componenti mentali esistenti, il cervello riduce al minimo l’apprendimento ridondante, un trucco che i sistemi di intelligenza artificiale devono ancora padroneggiare.

“Un grosso problema nell’apprendimento automatico è il fallimento catastrofico”, ha detto Tafazoli. "Quando una macchina o una rete neurale impara qualcosa di nuovo, dimentica e sovrascrive i ricordi precedenti. Se una rete neurale artificiale sa come cuocere una torta ma poi impara a cuocere i biscotti, dimenticherà come cuocere una torta."

In futuro, l’integrazione della composizionalità nell’intelligenza artificiale potrebbe aiutare a creare sistemi che apprendono continuamente nuove competenze senza dimenticare quelle vecchie.

La stessa scoperta potrebbe anche aiutare a migliorare la medicina per le persone con disturbi neurologici e psichiatrici. Condizioni come la schizofrenia, il disturbo ossessivo-compulsivo e alcune lesioni cerebrali spesso compromettono la capacità di una persona di applicare competenze conosciute in nuovi contesti, probabilmente a causa di interruzioni nella ricombinazione degli elementi cognitivi del cervello.

“Immagina di poter aiutare le persone a ritrovare la capacità di cambiare strategie, apprendere nuove routine o adattarsi al cambiamento”, ha detto Tafazoli. “A lungo termine, capire come il cervello riutilizza e ricombina la conoscenza potrebbe aiutarci a sviluppare terapie in grado di ripristinare questo processo”.

Fonti: