O cercetare relevă circuitul cerebral responsabil pentru gândirea vizuală flexibilă
Nuttida Rungratsameetaweemana contestă o poveste pe care neuroștiința o spune de decenii.
Potrivit acestui raport convențional, ochii noștri colectează informații brute și le transmit printr-o serie de nervi și stații intermediare care conduc profund în creier, ajungând în cele din urmă la cortex. Acolo începe gândirea, pe măsură ce informațiile sunt procesate și utilizate pentru sarcini mai complexe, precum raționamentul, judecata și luarea deciziilor.
Munca grupului său complică acest raport. Anul trecut, echipa a publicat scanări fMRI care arătau niveluri neașteptate de activitate în cele mai timpurii zone vizuale ale cortexului, regiunile care primesc primele semnale vizuale. În loc să transmită pasiv ceea ce ochii percep, aceste zone timpurii păreau să proceseze aceeași informație diferit, în funcție de activitatea participanților la cercetare. Când unui participant i s-a cerut să sorteze formele conform unui set de reguli, sistemul său vizual timpuriu s-a comportat într-un anumit mod. Când i s-a cerut să aplice un alt set de reguli pentru aceeași formă, acesta s-a comportat diferit.
Într-un nou articol publicat astăzi în PLOS Biology, Rungratsameetaweemana și echipa sa de la Columbia Engineering arată cum ar putea creierul să realizeze acest lucru. Au construit o rețea neurală simplă care respectă multe dintre regulile care guvernează creierele reale. La fel ca și creierul, modelul lor conținea o clasă de neuroni care stimulează alți neuroni să tragă și o altă clasă care suprimă activitatea.
Echipa a făcut modelul să execute o sarcină similară cu ceea ce participanții umani făcuseră în timpul unei sesiuni de fMRI. Când cercetătorii au analizat modelul pentru a vedea cum rețeaua neurală a rezolvat problema, au constatat că s-a bazat pe o aranjare a neuronilor digitali. Neuronii inhibitori care suprimă alți neuroni inhibitori par să transmită informații cheie din partea „gânditoare” a sistemului către componenta „senzorială” a acestuia.
Pentru a testa dacă această conectivitate era esențială, au slăbit acele conexiuni în model, iar capacitatea acestuia de a comuta între sarcini a scăzut drastic. Slăbirea altor tipuri de conexiuni a lăsat performanța în mare parte intactă. Modelul a fost confirmat și în cazul creierului viu. În înregistrările din cortexul vizual al șoarecilor, suprimarea celulelor inhibitoare care ancorează acest circuit a redus capacitatea cortexului de a urmări contextul sarcinii, exact așa cum prezisese modelul.
Am discutat cu Rungratsameetaweemana pentru a afla mai multe despre cercetare.
Aceasta dezvoltă pe baza studiului fMRI de anul trecut. De ce ați recurs la modelele AI?
Un scaner cerebral îți oferă o imagine a întregului creier, dar este grosier – nu poți vedea ce fac celulele individuale sau ce se întâmplă la nivelul circuitelor. Observarea regiunilor care se activează și a modelelor de activitate ne-a dat un motiv pentru a explora mai în profunzime. Pentru a înțelege mecanismele, aveam nevoie de ceva ce putem descompune și modifica, așa că ne-am îndreptat spre modelele neuronale. Le construim de la zero, așa că este posibil să vedem exact ce face rețeaua pentru a rezolva sarcina.
De ce ați menținut modelele atât de simple?
Dacă un model are abilități pe care creierul nu le are, atunci tot ce descoperim în interiorul lui nu ne va spune multe despre creierele reale. Așa că am făcut opusul și am construit ceva care include doar trăsături pe care știm că sunt adevărate în biologie. Multe dintre acestea se bazează pe lucrări anterioare ale lui Tomas Gallo Aquino și Robert Kim, coautori ai lucrării, printre alte studii. Știm că există neuroni excitatori și inhibitori, așa că i-am inclus. Știm că creierul este organizat ierarhic, așa că, în a doua parte a lucrării, am dat rețelei două regiuni: un modul senzorial care primește input direct și un modul de nivel superior mai jos. Astfel, putem întreba cum utilizează rețeaua acele ingrediente pentru a îndeplini sarcina.
De ce sunt atât de importante aceste conexiuni inhibitoare pe inhibitoare?
Ele oferă sistemului un control foarte fin asupra modului în care informația este reprezentată. Aceste celule inhibitoare se dovedesc a fi foarte importante pentru a menține totul bine controlat, asigurându-se că ceea ce trebuie reprezentat este făcut în mod corect. Există patru tipuri de conexiuni pe care le poți avea între aceste celule, iar cea care contează pentru acest tip de procesare flexibilă este inhibiția acționând asupra inhibiției. Știm că este important, pentru că modelul eșuează când o eliminăm. Nu știm încă de ce trebuie să fie această conectivitate anume. Această întrebare este un subiect important pentru echipele de cercetare din întreaga lume.
Cum ați început această linie de cercetare?
În 2015, am început să lucrez cu pacienți care nu au hipocampul, regiunea care ne permite să formăm și să păstrăm amintiri. Dacă creierul ar fi cu adevărat modular, pierderea acelei părți intermediare ar trebui să te lase incapabil să faci o mulțime de lucruri. Dar nu este așa. Acești pacienți pot face în continuare tot felul de sarcini. Asta a fost prima dovadă reală pentru mine că regiunile timpurii ale creierului fac mai mult decât să transmită informații senzoriale. Și indică ceva util: dacă informația este stocată redundant, poți pierde o parte și totuși să te descurci. Cred că așa funcționează de fapt creierul.
Ce ar putea însemna asta pentru AI?
Comparând creierul cu ceva precum ChatGPT sau un model mare de limbaj. Noi putem face mult mai multe, în situații mult mai variate, consumând o fracțiune din energie – și fără a fi instruiți pe întregul internet. Creierul a ajuns acolo prin evoluție, prin redundanța integrată în cablajul său. Modelele noastre sunt rețele neuronale recurente, care sunt destul de diferite de transformatoarele care stau la baza modelelor mari de limbaj de astăzi. Obiectivul este să descoperim aceste principii una câte una și să le folosim pentru a face AI mai eficient și mai adaptabil. Această motivație de inhibiție pe inhibiție este una dintre ele.
Ce urmează?
Ne-am întors la oameni. Lucrăm strâns cu colaboratori clinici care monitorizează pacienți cu epilepsie cu electrozi plasați adânc în creier, permițându-ne să înregistrăm activitatea neurală direct în timp ce acești pacienți efectuează sarcini cognitive. Aceste măsurători foarte detaliate ne vor oferi date pentru a testa ipotezele noastre împotriva activității neuronale reale.
