人工智能可以撰寫獲獎論文，並幫助醫生以令人難以置信的準確性檢測疾病。然而，當談到實際的心理靈活性時，活體大腦仍然具有明顯的優勢。
人類能夠非常輕鬆地適應新情況和新信息。學習不熟悉的計算機軟件、嘗試新菜譜或弄清楚新遊戲規則對人們來說通常很快就會發生，而人工智能係統通常會“即時”實時有效地適應和學習。
在一項新的研究中，普林斯頓大學的神經科學家確定了這種差異的主要原因。人腦在各種情況下重複使用相同的認知“塊”，將它們組合和重新組合以創建新的行為模式。
該研究的主要作者、普林斯頓神經科學研究所副所長 Tim Buschman 博士表示：“最先進的人工智能模型在單項任務上可以達到人類甚至超人類的表現。但它們很難學習和執行多項任務。” “我們發現大腦是靈活的，因為它可以在多個任務中重複使用認知組件。通過將這些‘認知樂高’組合在一起，大腦能夠構建新的任務。”
該研究發表在11月26日的期刊上 自然。
組合性：在新情況下重用技能
如果有人已經知道如何調整自行車，那麼學習修理摩托車會感覺更容易。這種根據相關經驗構建新技能的能力稱為組合。
普林斯頓大學布希曼實驗室的博士後研究員、這項新研究的主要作者西娜·塔法佐利博士說：“如果你已經知道如何烤麵包，那麼你可以使用這種技能在烤箱中烤蛋糕，而無需重新學習。” “你可以重複利用現有的技能——使用烤箱、測量原料、揉捏麵團——並將它們與其他技能結合起來，比如攪拌雞蛋和製作糖霜，創造出完全不同的東西。”
到目前為止，關於大腦如何支持這種靈活的組合思維的證據仍然有限，有時甚至是相互矛盾的。
為了獲得更清晰的圖像，塔法佐利訓練兩隻雄性恒河猴執行三項相關任務，同時記錄它們的大腦活動。
通過視覺分類任務測試靈活性
這些動物被要求進行三種視覺分類，而不是烘烤或修理自行車等現實世界的任務。在屏幕上，他們看到一系列彩色氣球般的波浪。他們的任務是確定每個斑點是否看起來更像兔子或字母“T”（通過對形狀進行分類），或者看起來更像紅色還是綠色（通過對顏色進行分類）。
這個挑戰比聽起來更難。斑點的差異在於差異的明顯程度。有些圖像明顯類似於兔子或呈鮮紅色，而另一些圖像則模棱兩可，需要仔細判斷才能區分類別。
為了報告有關形狀或顏色的決定，每隻猴子都會通過看屏幕上四個不同方向之一來表示其反應。例如，在該任務的一個版本中，向左看意味著動物判斷外陰是一隻兔子，而向右看則表明它看起來更像“T”。
該實驗的一個關鍵部分是每個任務都有自己的特定規則，但仍然與其他任務共享關鍵組件。
其中一項顏色任務和一項形狀任務要求動物朝同一方向看以表明它們的選擇，而兩項顏色任務要求猴子以相同的方式對顏色進行分類（更紅或更綠），但在表達顏色判斷（顏色分類）時朝不同的方向看。
這種設計使研究人員能夠了解每當任務具有某些特徵時大腦是否會重複使用相同的神經模式或認知塊。
前額葉皮層是可重複使用的認知塊的場所
在分析大腦活動模式後，塔法佐利和布施曼發現，前額葉皮層（大腦前部涉及高階思維和決策的區域）具有重複的活動模式。每當神經元組朝著共同目標（例如區分顏色）努力時，這些模式就會出現。
布施曼將這些模式稱為大腦的“認知樂高”，可以靈活組合以產生不同行為的構建塊。
“我認為認知塊就像計算機程序中的函數，”布希曼說。 “一組神經元可以區分顏色，其輸出可以映射到驅動動作的另一個功能。這種組織允許大腦通過順序執行任務的每個組成部分來執行任務。”
例如，對於其中一項顏色任務，大腦會將一個確定圖像顏色的塊與另一個引導眼睛在某些方向上運動的塊組裝在一起。當動物切換到另一項任務時，例如在使用類似的眼球運動時判斷形狀而不是顏色，大腦會簡單地激活該模塊以及用於這些眼球運動的形狀處理模塊。
這種區塊共享主要出現在前額葉皮層，在其他大腦區域沒有看到同樣程度的情況。研究結果表明，這種類型的成分可能是前額葉皮層的一個顯著特徵。
打開和關閉塊以銳化焦點
塔法佐利和布希曼還發現，前額葉皮層似乎可以在不需要時緩解一些認知障礙。這可能有助於大腦在任何特定時間專注於最重要的任務。
“大腦的認知控制能力有限，”塔法佐利說。 “你必須壓縮你的一些能力，這樣你才能專注於那些今天重要的事情。例如，專注於形狀分類，會暫時降低你編碼顏色的能力，因為目標是區分形狀，而不是顏色。”
通過選擇性地激活和停用不同的模塊，大腦可以避免過載並將表現集中在當前目標上。
認知樂高、人工智能和心理健康
這些認知樂高可能有助於解釋為什麼人們通常能夠如此迅速地接受新任務。大腦並不總是需要從頭開始。相反，它可以使用現有的心理成分，重新組合它們，並避免重複工作，這是當前人工智能係統普遍缺乏的策略。
“機器學習的一個主要問題是災難性干擾，”塔法佐利說。 “當機器或神經網絡學習新東西時，它會忘記並覆蓋以前的記憶。人工神經網絡知道如何烤蛋糕，但如果它隨後學會製作餅乾，它就會忘記如何烤蛋糕。”
將組合性引入人工智能可以使人工系統在學習中更加人性化，使它們能夠隨著時間的推移獲得新技能，而不會消除舊技能。
同樣的原則也可以影響醫學。許多神經和精神疾病，包括精神分裂症、強迫症和某些類型的腦損傷，可能使人們難以在新情況下應用現有技能。當大腦無法輕鬆地將其認知構件組合起來時，就會出現這些問題。
“想像一下，幫助人們重新獲得改變策略、學習新習慣或適應變化的能力，”塔法佐利說。 “從長遠來看，了解大腦如何重用和重組知識可以幫助我們設計恢復這一過程的療法。”
研究經費由美國國立衛生研究院提供（R01MH129492、5T32MH065214）。
