Kognitive blokkeringer er det som gir hjernen sin fordel fremfor AI

Kognitive blokkeringer er det som gir hjernen sin fordel fremfor AI

Kunstig intelligens kan skrive prisvinnende artikler og diagnostisere sykdommer med bemerkelsesverdig nøyaktighet, men biologiske hjerner har fortsatt overtaket på minst ett avgjørende område: fleksibilitet.

Mennesker kan for eksempel raskt og relativt enkelt tilpasse seg ny informasjon og ukjente utfordringer – ved å lære ny dataprogramvare, følge en oppskrift eller lære et nytt spill – mens AI-systemer har problemer med å lære i farten.

I en ny studie oppdager Princeton-nevrovitenskapsmenn én grunn til at hjernen har en fordel fremfor AI: Den gjenbruker de samme kognitive «blokkene» på tvers av mange forskjellige oppgaver. Ved å kombinere og rekombinere disse blokkene, kan hjernen raskt utvikle ny atferd.

State-of-the-art AI-modeller kan oppnå menneskelig eller til og med overmenneskelig ytelse i individuelle oppgaver. Men de synes det er vanskelig å lære og utføre mange forskjellige oppgaver. Vi fant ut at hjernen er fleksibel fordi den kan gjenbruke komponenter av kognisjon på tvers av mange forskjellige oppgaver. Ved å sette disse "kognitive legoklossene" sammen, er hjernen i stand til å utvikle nye oppgaver."

Tim Buschman, Ph.D., seniorforfatter av studien og assisterende direktør for Princeton Neuroscience Institute

Resultatene ble publisert 26. november i tidsskriftet Nature.

Gjenbruk ferdigheter til nye utfordringer

Hvis noen vet hvordan man reparerer en sykkel, er det kanskje mer naturlig å reparere en motorsykkel. Denne evnen til å lære noe nytt ved å gjenbruke enklere ferdigheter fra relaterte oppgaver er det forskerne kaller komposisjonalitet.

"Hvis du allerede vet hvordan du baker brød, kan du bruke den ferdigheten til å bake en kake uten å måtte lære å bake fra bunnen av," sa Sina Tafazoli, Ph.D., en postdoktor i Buschman-laboratoriet i Princeton og hovedforfatter av den nye studien. "Du tar eksisterende ferdigheter - betjene en ovn, måle ingredienser, elte deig - og kombinere dem med nye ferdigheter, som å piske deig og lage frosting, for å lage noe helt annet."

Imidlertid er det begrenset og noen ganger motstridende bevis på hvordan hjernen oppnår slik kognitiv fleksibilitet.

For å klargjøre hvordan hjernen oppnår sin oppfinnsomhet, trente Tafazoli to mannlige rhesus-aper til å utføre tre relaterte oppgaver mens hjerneaktiviteten deres ble overvåket.

I stedet for å bake brød eller reparere sykler, fullførte apene tre kategoriseringsoppgaver. I likhet med å prøve å tyde den ofte tvetydige stavemåten til et håndskrevet legebrev, måtte apene vurdere om en fargerik, ballonglignende klett på en skjerm foran dem lignet mer på en kanin eller bokstaven "T" (formkategorisering), eller om den var mer rød eller grønn (fargekategorisering).

Oppgaven var villedende vanskelig: klattene varierte i sin tvetydighet, noen ganger liknet tydeligvis en kanin eller en dyp rød, mens andre ganger var forskjellene subtile.

For å indikere hvilken form eller farge de trodde klatten var, nynnet en ape som svar ved å se i en av fire forskjellige retninger. I en oppgave betydde det å se til venstre at dyret så en kanin, mens det å se til høyre antydet at det så mer ut som en "T".

Et sentralt trekk ved designet var at mens hver oppgave var unik, delte de også visse elementer med de andre oppgavene.

En av fargeoppgavene og formoppgaven krevde å se i samme retninger, mens begge fargeoppgavene krevde at dyret skulle kategorisere farge på samme måte (enten mer rød eller mer grønn), men måtte se i forskjellige retninger for å bedømme fargetonen.

Dette eksperimentelle designet gjorde det mulig for forskere å teste om hjernen gjenbruker nevrale mønstre - dens kognitive byggesteiner - under oppgaver med vanlige komponenter.

Blokker bygger kognitiv fleksibilitet

Etter å ha analysert aktivitetsmønstre på tvers av hjernen, fant Tafazoli og Buschman at den prefrontale cortex - en region på forsiden av hjernen involvert i høyere kognisjon - inneholdt flere vanlige, gjenbrukbare aktivitetsmønstre på tvers av nevroner som arbeidet mot et felles mål, for eksempel fargediskriminering.

Buschman beskrev disse som hjernens "kognitive lego" - byggeklosser som fleksibelt kan kombineres for å skape ny atferd.

"Jeg tenker på en kognitiv blokk som en funksjon i et dataprogram," sa Buschman. "En gruppe nevroner kunne skille farger, og produksjonen deres kan kartlegges til en annen funksjon som utløser en handling. Denne organisasjonen lar hjernen utføre en oppgave ved å utføre hver komponent av den oppgaven etter tur."

For å utføre en av fargeoppgavene, satt dyret sammen en blokk som beregnet fargen på bildet med en annen blokk som beveget øynene i forskjellige retninger. Når du bytter oppgaver, som å bytte fra farger til former, setter hjernen ganske enkelt de relevante blokkene sammen for å beregne formen og gjøre de samme øyebevegelsene.

Denne blokkfrigjøringen ble i stor grad observert i den prefrontale cortex og ikke i andre hjerneregioner, noe som tyder på at denne typen komposisjon er en spesiell egenskap ved dette området.

Tafazoli og Buschman fant også at den prefrontale cortex fjerner kognitive blokkeringer når den ikke er i bruk, noe som sannsynligvis hjelper hjernen med å fokusere bedre på den aktuelle oppgaven.

"Hjernen har en begrenset kapasitet for kognitiv kontroll," sa Tafazoli. "Du må kondensere noen av ferdighetene dine slik at du kan fokusere på de som er viktige akkurat nå. For eksempel, å fokusere på å kategorisere former reduserer midlertidig muligheten til å kode farger fordi målet er formdiskriminering, ikke farge."

En mer effektiv måte å lære på – for AI og for klinikken

Disse kognitive legoklossene kan forklare hvorfor folk lærer nye oppgaver så raskt. Ved å trekke på eksisterende mentale komponenter, minimerer hjernen overflødig læring – et triks som AI-systemer ennå ikke har mestret.

"Et stort problem innen maskinlæring er katastrofal fiasko," sa Tafazoli. "Når en maskin eller et nevralt nettverk lærer noe nytt, glemmer det og overskriver tidligere minner. Hvis et kunstig nevralt nettverk vet hvordan man baker en kake, men så lærer å bake informasjonskapsler, vil det glemme hvordan man baker en kake."

I fremtiden kan integrering av komposisjonalitet i AI bidra til å skape systemer som kontinuerlig lærer nye ferdigheter uten å glemme gamle.

Det samme funnet kan også bidra til å forbedre medisinen for personer med nevrologiske og psykiatriske lidelser. Tilstander som schizofreni, tvangslidelser og visse hjerneskader svekker ofte en persons evne til å anvende kjente ferdigheter i nye sammenhenger – muligens på grunn av forstyrrelser i rekombinasjonen av hjernens kognitive byggesteiner.

"Tenk deg å kunne hjelpe folk til å gjenvinne evnen til å endre strategier, lære nye rutiner eller tilpasse seg endringer," sa Tafazoli. "På lang sikt kan forståelsen av hvordan hjernen gjenbruker og rekombinerer kunnskap hjelpe oss med å utvikle terapier som gjenoppretter denne prosessen."

Kilder: