Человеческий мозг способен учиться и перестраиваться с поразительной скоростью, даже когда сталкивается с совершенно новыми задачами. Именно эта гибкость до сих пор остаётся недостижимой для большинства систем искусственного интеллекта, несмотря на их вычислительную мощь. Новое исследование нейробиологов показало, что секрет кроется в особом принципе работы мозга — повторном использовании универсальных когнитивных элементов. Об этом сообщает журнал Nature.
Современные системы ИИ научились писать тексты, анализировать изображения и помогать врачам в диагностике. Однако в повседневных ситуациях они часто уступают человеку. Людям не требуется длительное обучение, чтобы освоить новое приложение, разобраться в правилах незнакомой настольной игры или приготовить блюдо по новому рецепту. Мозг справляется с этим почти автоматически, объединяя уже известные навыки.
Исследователи из Принстонского университета попытались понять, за счёт чего достигается такая универсальность. Их работа показала: мозг не создаёт каждое новое действие "с нуля". Вместо этого он использует ограниченный набор повторяющихся когнитивных элементов, которые можно комбинировать между собой в разных конфигурациях. Подобный модульный подход уже обсуждается и в других работах по нейробиологии, включая исследования о том, как мозг продолжает развиваться до 30 лет и меняет стратегии обработки информации.
"Современные модели искусственного интеллекта могут выполнять отдельные задачи на уровне человека или даже лучше. Но им сложно обучаться и выполнять множество различных задач", — говорит заместитель директора Тим Бушман Принстонского института нейронаук.
По словам учёного, ключевая особенность мозга — способность повторно использовать когнитивные компоненты, соединяя их в новые структуры под конкретную задачу.
В нейробиологии этот принцип называют композиционностью. Он означает формирование новых навыков за счёт уже существующих. В быту это проявляется постоянно. Человек, который умеет работать с электроинструментами, быстрее разберётся в ремонте бытовой техники. Тот, кто уверенно готовит базовые блюда, без труда освоит более сложные рецепты, используя знакомые действия: нарезку, термообработку, работу с духовкой.
Ведущий автор исследования Сина Тафазоли подчёркивает, что мозг действует экономно и рационально.
"Если вы уже умеете печь хлеб, вы можете использовать этот навык для приготовления торта, не переучиваясь с нуля", — объясняет научный сотрудник лаборатории Бушмана.
При этом новые элементы не заменяют старые, а встраиваются в уже существующую систему. Именно это позволяет людям так быстро адаптироваться к изменениям.
Чтобы проверить гипотезу на практике, исследователи провели серию экспериментов с макаками-резусами. Животных обучили выполнять несколько взаимосвязанных задач на визуальную категоризацию. На экране появлялись цветные фигуры, и обезьянам нужно было определить, к какой категории они относятся — по форме или по цвету.
Иногда задача была очевидной, а иногда требовала более тонкого анализа. Ответ макаки сообщали с помощью движения глаз в одном из заданных направлений. При этом правила частично совпадали между разными заданиями: где-то совпадал принцип классификации, а где-то — моторное действие.
Такая структура позволила учёным проследить, использует ли мозг одни и те же нейронные паттерны при решении схожих элементов разных задач.
Анализ активности мозга показал, что ключевую роль играет префронтальная кора — область, отвечающая за планирование, принятие решений и контроль поведения. Именно здесь обнаружились устойчивые паттерны нейронной активности, которые повторялись при выполнении разных заданий. Современные методы визуализации мозга, такие как описанный в материале о картировании мозга при болезни Альцгеймера, позволяют всё точнее отслеживать подобные процессы на уровне тканей и нейронных связей.
"Я думаю о когнитивном блоке как о функции в компьютерной программе", — поясняет Тим Бушман.
Один набор нейронов отвечает, например, за распознавание цвета, другой — за управление движениями глаз. Комбинируя эти элементы, мозг быстро собирает новую "программу поведения", не создавая её заново.
Интересной находкой стало и то, что префронтальная кора не только активирует нужные элементы, но и подавляет те, которые в данный момент не важны. Это помогает избежать когнитивной перегрузки и сохранить концентрацию.
"Мозг обладает ограниченными возможностями для когнитивного контроля", — отмечает Тафазоли.
Когда человек сосредоточен на форме, чувствительность к цвету временно снижается. Такой механизм позволяет эффективнее решать текущую задачу, не распыляя ресурсы.
Принцип когнитивных "Лего" помогает объяснить, почему люди так быстро учатся. Мозг экономит энергию, повторно используя уже существующие элементы, тогда как большинство нейросетей сталкиваются с проблемой катастрофического забывания.
"Когда машина учится чему-то новому, она часто перезаписывает старые знания", — говорит Тафазоли.
Понимание композиционности может стать основой для создания более устойчивых и гибких систем искусственного интеллекта. Кроме того, эти данные важны для медицины. При ряде неврологических и психических расстройств нарушается способность применять знакомые навыки в новых условиях, и именно здесь повторное использование когнитивных механизмов может играть ключевую роль.
Человеческий мозг обучается, комбинируя готовые когнитивные блоки, что позволяет сохранять старые навыки и наращивать новые. Искусственный интеллект чаще всего переобучается под конкретную задачу, теряя универсальность. В результате человек может одновременно осваивать новое программное обеспечение, менять профессиональные навыки и адаптироваться к бытовым изменениям, тогда как ИИ требует отдельной настройки под каждую функцию.
Подход, основанный на повторном использовании когнитивных элементов, ускоряет обучение и снижает нагрузку на мозг. Он повышает устойчивость к изменениям и помогает быстрее реагировать на новые условия. Вместе с тем такая система требует точной регуляции, поскольку нарушение баланса между активацией и подавлением элементов может привести к проблемам с вниманием и гибкостью мышления.
Осваивайте базовые навыки, которые применимы в разных сферах — от анализа информации до управления вниманием.
Сознательно ищите связи между новыми задачами и уже знакомыми действиями.
Регулярно тренируйте переключение между разными типами активности.
Он повторно использует готовые когнитивные элементы, а не формирует каждое действие заново.
Да, этому способствует практика переноса навыков из одной области в другую.
Наиболее устойчивый результат даёт сочетание базовых универсальных навыков и специализированных знаний.