A inteligência artificial agora pode escrever artigos premiados e ajudar os médicos a detectar doenças com uma precisão impressionante. No entanto, quando se trata de verdadeira flexibilidade mental, os cérebros vivos ainda têm uma clara vantagem.
Os humanos podem se adaptar a novas situações e informações com muita facilidade. Embora aprender software de computador desconhecido, experimentar uma nova receita ou descobrir as regras de um novo jogo muitas vezes aconteça rapidamente para as pessoas, muitas vezes é difícil para os sistemas de IA se adaptarem em tempo real e aprenderem de forma eficaz “on the fly”.
Num novo estudo, neurocientistas da Universidade de Princeton identificaram uma razão chave para esta diferença. O cérebro humano reutiliza os mesmos “pedaços” 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 desempenho humano ou mesmo sobre-humano em tarefas individuais. Mas eles têm dificuldade em aprender e executar muitas tarefas diferentes”, disse o Dr. Tim Buschman, autor sênior do estudo e diretor associado do Instituto de Neurociências de Princeton. “Descobrimos que o cérebro é flexível porque pode reutilizar componentes cognitivos em muitas tarefas diferentes. Ao juntar essas peças cognitivas, o cérebro é capaz de construir novas tarefas”.
O estudo aparece na edição de 26 de novembro da revista natureza.
Combinatorialidade: Reutilizando habilidades em novas situações
Aprender a consertar uma motocicleta será mais fácil se alguém já souber afinar uma bicicleta. A capacidade de desenvolver novas habilidades a partir de habilidades mais simples e familiares, extraídas de experiências relacionadas, é chamada de composicionalidade.
“Se você já sabe assar pão, pode usar essa habilidade para assar bolos sem ter que reaprender a assar do zero”, disse Xina Tafazzoli, Ph.D., pós-doutoranda no Laboratório Bushman de Princeton e principal autora do novo estudo. “Você reaproveita habilidades existentes – usar um forno, medir ingredientes, amassar massa – e combiná-las com novas habilidades, como bater massa e fazer glacê, para criar algo completamente diferente.”
Até agora, as evidências sobre como o cérebro suporta esse pensamento combinatório flexível permanecem limitadas e por vezes conflitantes.
Para obter uma imagem mais clara, Tafazzoli treinou dois macacos rhesus machos para realizar três tarefas relacionadas enquanto registrava sua atividade cerebral.
Teste a flexibilidade com uma tarefa de categorização visual
Os animais foram convidados a realizar três tarefas de categorização visual, em vez de tarefas do mundo real, como cozinhar ou consertar bicicletas. Na tela, eles viram uma série de bolhas coloridas em forma de balão. O trabalho deles era determinar se cada bolha se parecia mais com um coelho ou com a letra “T” (categorizando a forma), ou se parecia mais vermelha ou verde (categorizando a cor).
Este desafio é mais difícil do que parece. Essas manchas variam em grau de diferenciação. Algumas imagens lembram claramente coelhos ou vermelhos brilhantes, enquanto outras são ambíguas e requerem um julgamento cuidadoso para distinguir categorias.
Para relatar sua decisão sobre uma forma ou cor, cada macaco indicava a resposta olhando em uma das quatro direções diferentes na tela. Por exemplo, em uma versão da tarefa, olhar para a esquerda significava que o animal julgava que a bolha era um coelho, enquanto olhar para a direita sugeria que se parecia mais com um “T”.
Uma parte fundamental deste experimento é que cada tarefa tem suas próprias regras específicas, mas ainda compartilha componentes-chave com outras tarefas.
Uma das tarefas de cores e a tarefa de forma exigiam que os macacos olhassem na mesma direção para indicar sua escolha, enquanto ambas as tarefas de cores exigiam que os macacos categorizassem as cores da mesma maneira (mais vermelho ou mais verde), mas olhassem em direções diferentes ao sinalizar um julgamento de cores (categorizar uma cor).
Este projeto permite aos pesquisadores ver se o cérebro reutiliza os mesmos padrões neurais, ou blocos de construção cognitivos, sempre que as tarefas compartilham certas características.
Córtex pré-frontal como centro para blocos cognitivos reutilizáveis
Depois de examinar os padrões de atividade cerebral, Tafazzoli e Buschman descobriram que o córtex pré-frontal, uma região da parte frontal do cérebro envolvida no pensamento e na tomada de decisões de nível superior, continha vários padrões recorrentes de atividade. Esses padrões surgem quando grupos de neurônios trabalham juntos em direção a um objetivo comum, como distinguir cores.
Buschman chama esses padrões de “Lego cognitivo” do cérebro, um conjunto de blocos de construção que podem ser combinados de maneira flexível para produzir diferentes comportamentos.
“Penso nos blocos cognitivos como funções de um programa de computador”, disse Bushman. “Um grupo de neurônios pode diferenciar cores, e sua saída pode ser mapeada em outra função que impulsiona a ação. Essa organização permite que o cérebro execute uma tarefa executando cada componente da tarefa sequencialmente.”
Para uma das tarefas de cores, por exemplo, o cérebro monta um bloco que determina a cor da imagem com outro bloco que orienta o movimento dos olhos em uma direção específica. Quando um animal muda para uma tarefa diferente, como julgar a forma em vez da cor, enquanto ainda usa movimentos oculares semelhantes, o cérebro simplesmente ativa módulos para processamento de formas, bem como módulos para os mesmos movimentos oculares.
Esta partilha de bloqueios ocorre principalmente no córtex pré-frontal e não é observada na mesma extensão em outras regiões do cérebro. Esta descoberta sugere que este tipo de combinacionalidade pode ser uma característica distintiva do córtex pré-frontal.
Ative e desative blocos para aprimorar o foco
Tafazzoli e Buschman também observaram que o córtex pré-frontal parecia acalmar certas partes cognitivas quando não eram necessárias. Isso pode ajudar o cérebro a se concentrar nas tarefas mais relevantes a qualquer momento.
“O cérebro tem capacidades limitadas de controle cognitivo”, disse Tafazzoli. “Você tem que condensar algumas de suas habilidades para poder se concentrar naquelas que são atualmente importantes. Focar na classificação de formas, por exemplo, prejudica temporariamente a capacidade de codificar cores porque o objetivo é a discriminação de formas, não a cor.”
Ao ativar e inibir seletivamente diferentes bloqueios, o cérebro evita sobrecarga e pode concentrar o desempenho nos objetivos atuais.
LEGO cognitivo, inteligência artificial e saúde mental
Essas peças cognitivas podem ajudar a explicar por que as pessoas muitas vezes conseguem assumir novas tarefas tão rapidamente. O cérebro nem sempre precisa começar do zero. Em vez disso, pode aproveitar os componentes mentais existentes, recombiná-los e evitar a duplicação de trabalho, uma estratégia que geralmente falta nos atuais sistemas de IA.
“Um grande problema com o aprendizado de máquina é a interferência catastrófica”, disse Tafazzoli. “Quando máquinas ou redes neurais aprendem coisas novas, 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, em última análise, tornar os sistemas artificiais mais semelhantes aos humanos na sua aprendizagem, permitindo-lhes adquirir novas competências ao longo do tempo, sem apagar as antigas.
O mesmo princípio também pode afetar 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 reorganizar suavemente seus blocos de construção cognitivos.
“Imagine ser capaz de ajudar as pessoas a recuperar a capacidade de mudar estratégias, aprender novos hábitos ou adaptar-se às mudanças”, disse Tafazzoli. “A longo prazo, compreender como o cérebro reutiliza e reorganiza o conhecimento pode ajudar-nos a conceber terapias que restaurem este processo”.
O financiamento para este estudo foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01MH129492, 5T32MH065214).
