«Когнитивные LEGO»: как мозг переиспользует нейронные модули

Исследователи MIT и Принстона нашли признаки того, что мозгу не обязательно выделять отдельную группу нейронов для каждого типа информации. Некоторые кластеры префронтальной коры, по-видимому, работают как переиспользуемые модули рабочей памяти: один и тот же кластер может удерживать сенсорный стимул, а затем — план будущего действия.

Что показали эксперименты на мышах

В эксперименте мыши выполняли задачу с отложенным сравнением сигналов. Животному сначала предъявляли высокий или низкий тон, затем второй звук. Мышь должна была запомнить первый сигнал, сравнить его со вторым и до момента ответа удерживать уже принятое решение или план действия. Исследователи записали активность тысяч нейронов в медиальной префронтальной и задней теменной коре.

Компьютерный анализ выявил функционально различающиеся кластеры и нейронные подпространства, связанные с обработкой стимула и поддержанием информации в памяти.

Особенно важным оказался результат для префронтальной коры: кластеры, поддерживавшие сенсорное воспоминание в первой паузе, могли быть задействованы для хранения плана действия во второй. Иными словами, менялось не обязательно само вычисление, а содержание, к которому оно применялось. Это согласуется с идеей гибкого переиспользования одних и тех же нейронных ресурсов.

В задней теменной коре картина была иной. Ее кластеры выглядели более специализированными и стабильнее участвовали в обработке определенных типов информации, а не так явно переключались между ролями. Такое различие может указывать на разделение труда между гибкими и более специализированными участками мозга.

При чем здесь рекуррентные нейросети

Исследователи обучили искусственные рекуррентные нейронные сети выполнять задачи с похожими требованиями. В ходе обучения сети сформировали сопоставимую модульную организацию: отдельные кластеры участвовали в разных вычислениях и могли переиспользоваться в зависимости от этапа задачи.

Это поддерживает гипотезу, что подобная архитектура может быть эффективным вычислительным решением, а не случайной особенностью конкретных мышей. При этом искусственная модель не доказывает, что мозг работает точно так же: она лишь показывает, что переиспользуемые модули помогают решать задачи такого типа.

Почему это называют «когнитивными LEGO»

Метафора «когнитивных LEGO» описывает идею, согласно которой сложное поведение строится из ограниченного набора компонентов, которые можно соединять и перестраивать. Вместо того чтобы осваивать каждую новую задачу с нуля, мозг способен повторно использовать уже освоенные операции, меняя их сочетание или тип обрабатываемой информации.

Такая организация может объяснять сразу несколько свойств гибкого мышления:

• быстрое переключение между задачами и правилами;
• использование одной и той же операции для разных воспоминаний и планов;
• более экономное обучение, поскольку не вся вычислительная схема создается заново;
• построение новых моделей поведения из уже знакомых компонентов.

Для разработчиков искусственного интеллекта это может стать ориентиром. Современным системам нередко требуется значительное дообучение для близких задач, а при освоении новых навыков они могут терять прежние. Модульная архитектура с повторным использованием вычислений потенциально помогла бы сделать такие системы более адаптивными.

Что пока нельзя утверждать

Записи активности нейронов показывают связь между работой кластеров и выполнением задачи, но сами по себе не доказывают, что конкретный кластер причинно порождает определенное поведение. Поэтому вывод о переключении функций пока остается интерпретацией, согласующейся с наблюдаемыми паттернами активности. Кроме того, эксперименты проводились на мышах, а не на людях, так что перенос этих результатов на человеческое мышление требует дальнейшей проверки.

Указанная работа также фигурирует в источнике как препринт, то есть материал, еще не прошедший рецензирование в научном журнале.

Какие эксперименты планируются дальше

Следующий шаг — причинные эксперименты. Ученые планируют избирательно воздействовать на выявленные кластеры префронтальной коры в разные периоды выполнения задания и проверить, действительно ли вклад одного и того же кластера меняется: сначала он связан с удержанием сенсорного воспоминания, а позже — с удержанием плана действия.

Ключевое предсказание таково: нарушение работы одного и того же кластера должно ухудшать разные функции в зависимости от момента воздействия. В предоставленных материалах не уточняются точный метод вмешательства и сроки проведения таких экспериментов.

Как финансировалось исследование

В доступных источниках нет достаточных данных, чтобы установить финансирование именно этого исследования MIT и Принстона. Упоминание Управления директора национальной разведки США и Национальных институтов здравоохранения относится к другому проекту — картированию связей в мозге мышей, — и не должно приписываться данной работе.