Как получается, что повар может управлять своим ножом, чтобы разделать рыбу или очистить виноград, и может владеть ножом так же эффективно, как ножом для очистки овощей? Даже те из нас, кто менее опытен на кухне, учатся умело обращаться с удивительным количеством различных предметов на протяжении всей жизни, от шнурков до теннисных ракеток.
Эта способность постоянно приобретать новые навыки, не забывая и не унижая старые, естественна для людей, но является серьезной проблемой даже для самых современных систем искусственного интеллекта, пишет medicalxpress.com.
Теперь ученые из Кембриджского и Колумбийского университетов разработали и экспериментально подтвердили новую математическую теорию, объясняющую, как человеческий мозг достигает этого подвига. Модель, получившая название COntextual INference (COIN), предполагает, что определение текущего контекста является ключом к изучению того, как двигать нашим телом.
Модель описывает механизм в мозгу, который постоянно пытается выяснить текущий контекст. Теория предполагает, что эти постоянно меняющиеся представления о контексте определяют, как использовать существующие воспоминания - и нужно ли формировать новые. Результаты опубликованы в журнале Nature .
«Представьте, что вы играете в теннис с другой ракеткой, чем обычно, или переключаетесь с тенниса на сквош», - сказал соавтор книги доктор Дэниел Вулперт из Колумбийского университета. «Наша теория исследует, как ваш мозг приспосабливается к этим ситуациям и следует ли рассматривать их как отдельные контексты».
Согласно модели COIN, мозг поддерживает набор моторных воспоминаний, каждая из которых связана с контекстом, в котором он был создан, например, игра в сквош или теннис. Даже для одного взмаха ракетки мозг может использовать множество воспоминаний, каждое из которых пропорционально тому, насколько мозг считает, что он в настоящее время находится в контексте, в котором эта память была создана.
Это противоречит традиционному мнению, что одновременно используется только одна память. Чтобы повысить производительность при следующем замахе, мозг также обновляет все воспоминания, опять же в зависимости от своих убеждений в текущем контексте. Когда контекст движения оценивается как новый (например, когда мы впервые играем в сквош после нескольких лет игры в теннис), мозг автоматически создает новую память для этого контекста. Это гарантирует, что мы не перезапишем ранее установленные воспоминания, например, память для игры в теннис.
Это исследование может привести к разработке более эффективных стратегий физиотерапии, которые помогут людям с травмами снова использовать свое тело. Часто улучшения, наблюдаемые в кабинете физиотерапевта, не переносятся на улучшения в реальном мире.
«С лучшим пониманием того, как контекст влияет на моторное обучение , вы можете подумать о том, как подтолкнуть мозг к обобщению того, что он узнает, на контексты вне сеанса физиотерапии», - сказал первый автор доктор Джеймс Хилд. «Лучшее понимание основных механизмов, лежащих в основе зависимости памяти и обучения от контекста, может иметь терапевтические последствия в этой области».
«Что меня интересует, так это то, что принципы модели COIN могут также распространяться на многие другие формы обучения и памяти, а не только на воспоминания, лежащие в основе нашего движения», - сказал соавтор исследования профессор Мате Лендьель из Кембриджского инженерного факультета. «Например, спонтанное повторение, казалось бы, забытых воспоминаний, часто вызванное изменением нашего окружения, наблюдалось как при моторном обучении, так и при посттравматическом стрессовом расстройстве».
Создание новой модели
Тренируйтесь с теннисной ракеткой, и мозг формирует моторные воспоминания о том, как вы двигали рукой и остальным телом, которые со временем улучшают вашу подачу. Но учиться не так просто, как просто улучшить память, чтобы сделать движения более точными, говорят исследователи. В противном случае подача теннисиста может улучшиться до такой степени, что он никогда не выбьет мяч за пределы игровой площадки. Реальный мир и наша нервная система сложны, и мозгу приходится иметь дело с большим разнообразием.Как мозг отличает этот шум - эти случайные колебания - от новых ситуаций? И как понять, что немного более легкая теннисная ракетка все еще может работать с предыдущими воспоминаниями о теннисной ракетке? Но что ракетка для настольного тенниса - это совершенно другой объект, который нужно начинать с нуля?
Ответом, согласно модели COIN, может быть байесовский вывод, математический метод, используемый для работы с неопределенностью. Этот метод статистически взвешивает новые доказательства в свете предыдущего опыта, чтобы обновить свои убеждения в изменчивом мире. В модели COIN контекст - это упрощающее предположение о том, что в данном наборе обстоятельств определенные действия с большей вероятностью приведут к одним последствиям, чем другие. Ученые отметили, что признание новой теорией той роли, которую неопределенность играет в моторном обучении, похоже на то, как квантовая физика рассматривает Вселенную с точки зрения вероятностей, а не определенностей.
Разбираемся с теорией
Исследователи протестировали модель COIN на данных предыдущих экспериментов, а также новых экспериментов, в которых добровольцы взаимодействовали с роботизированной ручкой. Участники научились манипулировать ручкой, чтобы достичь цели, в то время как ручка по-разному отталкивается.Добровольцы, которые потратили время на обучение работе с ручкой, когда она толкалась влево, например, имели больше проблем с управлением ручкой, когда она меняла поведение и сдвигалась вправо, по сравнению с добровольцами, которые начинали с ручки, толкающей вправо. Модель COIN объяснила этот эффект, названный антероградной интерференцией.
«Чем дольше вы изучаете одну задачу, тем меньше вероятность того, что вы перейдете в новый контекст со второй задачей», - сказал Вулперт. «Вы все еще формируете моторную память о второй задаче, но еще не используете ее, потому что ваш мозг все еще застрял в первом контексте».
Модель также предсказывала, что усвоенный навык может появиться снова даже после того, как последующее обучение, похоже, стерло его. Это возрождение, называемое спонтанным выздоровлением, наблюдается во многих других формах обучения, помимо моторного обучения. Например, спонтанное выздоровление связано с проблемами при лечении посттравматического стрессового расстройства , когда контекст может спровоцировать спонтанное повторение травматических воспоминаний.
Ученые обычно объясняют спонтанное выздоровление двумя разными механизмами обучения. В одном случае воспоминания, усвоенные быстро, быстро забываются, а в другом - воспоминания, усвоенные медленно, медленно забываются и, таким образом, могут появиться снова. Напротив, модель COIN предполагает, что существует только один механизм обучения вместо двух отдельных, и что воспоминания, которые, по-видимому, исчезли, могут быть готовы вернуться с правильным триггером: верой в то, что контекст снова возник. Исследователи подтвердили это в своей лаборатории с помощью новых экспериментов.
