Cientistas descobrem os blocos de aprendizagem ocultos do cérebro

Os humanos podem se ajustar a novas situações e informações com notável facilidade. Aprender software de computador desconhecido, experimentar uma nova receita ou descobrir as regras de um novo jogo muitas vezes acontece rapidamente para as pessoas, enquanto os sistemas de IA normalmente lutam para se adaptar em tempo real e para aprender de forma eficaz “on the fly”.

Num novo estudo, neurocientistas da Universidade de Princeton identificam uma razão principal para esta diferença. O cérebro humano reutiliza repetidamente os mesmos “blocos” cognitivos em muitas situações diferentes, combinando-os e recombinando-os para formar novos padrões de comportamento.

“Os modelos de IA de última geração podem alcançar o desempenho humano, ou mesmo super-humano, em tarefas individuais. Mas eles lutam para aprender e executar muitas tarefas diferentes”, disse Tim Buschman, Ph.D., autor sênior do estudo e diretor associado do Instituto de Neurociências de Princeton. “Descobrimos que o cérebro é flexível porque pode reutilizar componentes da cognição em muitas tarefas diferentes. Ao juntar esses ‘Legos cognitivos’, o cérebro é capaz de construir novas tarefas.”

A pesquisa foi publicada em 26 de novembro na revista Natureza.

Composicionalidade: reutilizando habilidades em novas situações

Se alguém já sabe afinar uma bicicleta, aprender a consertar uma motocicleta pode parecer mais simples. Essa capacidade de construir uma nova habilidade a partir de outras mais simples e familiares, extraídas de experiências relacionadas, é conhecida como composicionalidade.

“Se você já sabe fazer pão, pode usar essa habilidade para fazer um bolo sem reaprender a assar do zero”, disse Sina Tafazoli, Ph.D., pesquisadora de pós-doutorado no laboratório Buschman em Princeton e principal autora do novo estudo. “Você reaproveita habilidades existentes – usar um forno, medir ingredientes, amassar massa – e combiná-las com novas, como bater massa e fazer glacê, para criar algo totalmente diferente.”

Até agora, as evidências de como exatamente o cérebro suporta esse tipo de pensamento flexível e composicional têm sido limitadas e às vezes conflitantes.

Para obter uma imagem mais clara, Tafazoli treinou dois macacos rhesus machos para realizar três tarefas relacionadas enquanto registrava a atividade em seus cérebros.

Testando flexibilidade com tarefas de categorização visual

Em vez de trabalhos do mundo real, como panificação ou conserto de bicicletas, os animais foram solicitados a realizar três tarefas de categorização visual. Em uma tela, eles viram uma série de bolhas coloridas, parecidas com balões. O trabalho deles era decidir se cada bolha se parecia mais com um coelho ou com a letra “T” (categorizando a forma) ou se parecia mais vermelha ou mais verde (categorizando a cor).

O desafio era mais difícil do que parecia. As bolhas variavam em quão claras eram as diferenças. Algumas imagens obviamente pareciam um coelho ou eram de um vermelho vivo, enquanto outras eram ambíguas e exigiam um julgamento cuidadoso para distinguir as categorias.

Para relatar sua decisão sobre a forma ou cor, cada macaco indicou sua resposta olhando em uma das quatro direções diferentes na tela. Em uma versão da tarefa, por exemplo, olhar para a esquerda significava que o animal julgava que a bolha era um coelho, enquanto olhar para a direita sinalizava que se parecia mais com um “T”.

Uma parte crucial do experimento foi que cada tarefa tinha suas próprias regras específicas, mas ainda assim compartilhava componentes-chave com as outras.

Uma das tarefas de cores e a tarefa de forma exigiam que os animais olhassem nas mesmas direções para indicar suas escolhas, enquanto ambas as tarefas de cores pediam aos macacos que categorizassem a cor da mesma maneira (como mais vermelho ou mais verde), mas olhassem em direções diferentes ao sinalizar seu julgamento de cores (categorizando a cor).

Este projeto permitiu aos pesquisadores ver se o cérebro reutilizava os mesmos padrões neurais, ou blocos de construção cognitivos, sempre que as tarefas compartilhavam certas características.

Córtex pré-frontal como centro para blocos cognitivos reutilizáveis

Depois de examinar os padrões de atividade cerebral, Tafazoli e Buschman descobriram que o córtex pré-frontal, uma região na parte frontal do cérebro envolvida no pensamento e na tomada de decisões de alto nível, continha vários padrões recorrentes de atividade. Esses padrões apareciam sempre que grupos de neurônios trabalhavam juntos em direção a um objetivo comum, como distinguir cores.

Buschman referiu-se a esses padrões como os “Legos cognitivos” do cérebro, um conjunto de blocos de construção que podem ser combinados de forma flexível para produzir diferentes comportamentos.

“Penso num bloco cognitivo como uma função num programa de computador”, disse Buschman. “Um conjunto de neurônios pode discriminar cores e sua saída pode ser mapeada em outra função que impulsiona uma ação. Essa organização permite que o cérebro execute uma tarefa executando sequencialmente cada componente dessa tarefa.”

Para uma das tarefas de cores, por exemplo, o cérebro montaria um bloco que determina a cor da imagem junto com outro bloco que orienta os movimentos dos olhos em direções específicas. Quando o animal mudou para uma tarefa diferente, como julgar formas em vez de cores enquanto ainda usava movimentos oculares semelhantes, o cérebro simplesmente ativou o bloco para processamento de formas junto com o bloco para esses mesmos movimentos oculares.

Esta partilha de bloqueios apareceu principalmente no córtex pré-frontal e não foi observada na mesma extensão em outras regiões do cérebro. A descoberta sugere que este tipo de composicionalidade pode ser uma característica distintiva do córtex pré-frontal.

Ativar e desativar blocos para aprimorar o foco

Tafazoli e Buschman também observaram que o córtex pré-frontal parecia acalmar certos bloqueios cognitivos quando não eram necessários. Isso provavelmente ajuda o cérebro a se concentrar na tarefa mais relevante a qualquer momento.

“O cérebro tem uma capacidade limitada de controle cognitivo”, disse Tafazoli. “Você precisa comprimir algumas de suas habilidades para poder se concentrar naquelas que são importantes no momento. Focar na categorização de formas, por exemplo, diminui momentaneamente a capacidade de codificar cores porque o objetivo é a discriminação de formas, não a cor.”

Ao ativar e suprimir seletivamente diferentes bloqueios, o cérebro pode evitar ficar sobrecarregado e manter o desempenho focado no objetivo atual.

Legos cognitivos, IA e saúde mental

Esses Legos cognitivos podem ajudar a explicar por que as pessoas muitas vezes conseguem realizar novas tarefas tão rapidamente. O cérebro nem sempre precisa começar do zero. Em vez disso, pode aproveitar componentes mentais existentes, recombiná-los e evitar a duplicação de trabalho, uma estratégia que geralmente falta aos atuais sistemas de IA.

“Um grande problema com o aprendizado de máquina é a interferência catastrófica”, disse Tafazoli. “Quando uma máquina ou rede neural aprende algo novo, elas esquecem e substituem memórias anteriores. Se uma rede neural artificial sabe fazer um bolo, mas depois aprende a fazer biscoitos, ela esquecerá como fazer um bolo.”

A incorporação da composicionalidade na IA poderia eventualmente tornar os sistemas artificiais mais semelhantes aos humanos na sua aprendizagem, permitindo-lhes adquirir novas competências ao longo do tempo, sem apagar as mais antigas.

Os mesmos princípios também poderiam influenciar a medicina. Muitas condições neurológicas e psiquiátricas, incluindo esquizofrenia, transtorno obsessivo-compulsivo e algumas formas de lesões cerebrais, podem dificultar a aplicação das competências existentes em novas situações. Esses problemas podem surgir quando o cérebro não consegue mais recombinar suavemente seus blocos de construção cognitivos.

“Imagine ser capaz de ajudar as pessoas a recuperar a capacidade de mudar estratégias, aprender novas rotinas ou adaptar-se às mudanças”, disse Tafazoli. “No longo prazo, compreender como o cérebro reutiliza e recombina o conhecimento pode ajudar-nos a conceber terapias que restaurem esse processo”.

O financiamento para o estudo foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01MH129492, 5T32MH065214).