Wie Gedanken beeinflussen, was die Augen sehen
Eine überraschende Studie könnte neue Ansätze für KI-Systeme aufzeigen
Wenn Sie im Supermarkt eine Tüte Möhren sehen, denken Sie dann an Kartoffeln und Pastinaken oder an Büffelflügel und Sellerie?
Frühe visuelle Areale im Gehirn passen ihre Repräsentationen desselben visuellen Reizes an, je nachdem, welche Aufgabe wir zu erfüllen versuchen.
Rungratsameetaweemana lab/Columbia Engineering
Das hängt natürlich davon ab, ob Sie gerade einen deftigen Wintereintopf kochen oder sich auf den Super Bowl vorbereiten.
Die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass die Kategorisierung eines Objekts - z. B. die Einordnung einer Karotte als Wurzelgemüse oder Party-Snack - Aufgabe des präfrontalen Kortex ist, der Gehirnregion, die für das logische Denken und andere hochrangige Funktionen zuständig ist, die uns intelligent und sozial machen. In diesem Sinne sind die Augen und die visuellen Regionen des Gehirns eine Art Sicherheitskamera, die Daten sammelt und sie auf standardisierte Weise verarbeitet, bevor sie zur Analyse weitergeleitet werden.
Eine neue Studie unter der Leitung der Biomedizintechnikerin und Neurowissenschaftlerin Nuttida Rungratsameetaweemana, einer Assistenzprofessorin an der Columbia Engineering University, zeigt jedoch, dass die visuellen Regionen des Gehirns eine aktive Rolle bei der Verarbeitung von Informationen spielen. Entscheidend ist, dass die Art und Weise, wie die Informationen interpretiert werden, davon abhängt, womit der Rest des Gehirns gerade beschäftigt ist.
Wenn am Sonntag der Super Bowl stattfindet, sieht das visuelle System die Karotten auf dem Gemüsetablett, bevor der präfrontale Kortex weiß, dass sie existieren.
Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie liefert einige der bisher deutlichsten Beweise dafür, dass frühe sensorische Systeme eine Rolle bei der Entscheidungsfindung spielen - und dass sie sich in Echtzeit anpassen. Sie weist auch auf neue Ansätze für die Entwicklung von KI-Systemen hin, die sich an neue oder unerwartete Situationen anpassen können.
Rungratsameetaweemana erklärt mehr über die Forschung:
Was ist das Spannende an dieser neuen Studie?
Unsere Ergebnisse stellen die traditionelle Ansicht in Frage, dass frühe sensorische Bereiche im Gehirn einfach nur "schauen" oder visuelle Eingaben "aufnehmen". Tatsächlich formt das visuelle System des menschlichen Gehirns die Darstellung ein und desselben Objekts aktiv um, je nachdem, was man zu tun versucht. Selbst in den visuellen Bereichen, die sehr nahe an den Rohdaten liegen, die in die Augen gelangen, hat das Gehirn die Flexibilität, seine Interpretation und Reaktionen auf die aktuelle Aufgabe abzustimmen. Das gibt uns eine neue Sichtweise auf die Flexibilität des Gehirns und eröffnet Ideen, wie man möglicherweise adaptivere KI-Systeme nach dem Vorbild dieser neuronalen Strategien entwickeln kann.
Wie sind Sie zu diesem überraschenden Ergebnis gekommen?
Die meisten früheren Arbeiten befassten sich mit der Frage, wie Menschen im Laufe der Zeit Kategorien lernen, aber diese Studie konzentriert sich auf den Aspekt der Flexibilität: Wie schaltet das Gehirn schnell zwischen verschiedenen Möglichkeiten um, dieselben visuellen Informationen zu organisieren?
Wie sahen Ihre Experimente aus?
Wir haben die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) eingesetzt, um die Gehirnaktivität von Menschen zu beobachten, während sie Formen in verschiedene Kategorien einordnen. Der Clou dabei war, dass sich die "Regeln" für die Kategorisierung der Formen ständig änderten. So konnten wir feststellen, ob der visuelle Kortex die Darstellung der Formen in Abhängigkeit von der Definition der Kategorien änderte.
Wir analysierten die Daten mithilfe von Werkzeugen des maschinellen Lernens, einschließlich multivariater Klassifikatoren. Mit diesen Werkzeugen können wir die Muster der Gehirnaktivierung als Reaktion auf verschiedene Formenbilder untersuchen und messen, wie deutlich das Gehirn Formen in verschiedenen Kategorien unterscheidet. Wir konnten feststellen, dass das Gehirn unterschiedlich reagiert, je nachdem, in welche Kategorien unsere Teilnehmer die Formen einsortierten.
Was haben Sie in den Daten aus diesen Experimenten gesehen?
Die Aktivität im visuellen System - einschließlich der primären und sekundären visuellen Kortexe, die die Daten direkt von den Augen verarbeiten - änderte sich bei praktisch jeder Aufgabe. Sie reorganisierten ihre Aktivität je nachdem, welche Entscheidungsregeln die Menschen benutzten, was sich darin zeigte, dass die Aktivierungsmuster des Gehirns ausgeprägter wurden, wenn eine Form in der Nähe der Grauzone zwischen den Kategorien lag. Das waren die am schwierigsten zu unterscheidenden Formen, also genau dann, wenn eine zusätzliche Verarbeitung am hilfreichsten wäre.
Wir konnten in den fMRI-Daten tatsächlich klarere neuronale Muster erkennen, wenn die Personen die Aufgaben besser gelöst hatten. Das deutet darauf hin, dass der visuelle Kortex uns direkt bei der Lösung flexibler Kategorisierungsaufgaben helfen kann.
Welche Auswirkungen haben diese Ergebnisse?
Flexible Kognition ist ein Markenzeichen der menschlichen Kognition, und selbst modernste KI-Systeme haben derzeit noch Schwierigkeiten mit der flexiblen Erfüllung von Aufgaben. Unsere Ergebnisse können dazu beitragen, KI-Systeme zu entwickeln, die sich besser an neue Situationen anpassen können. Die Ergebnisse können auch dazu beitragen zu verstehen, wie die kognitive Flexibilität bei Erkrankungen wie ADHS oder anderen kognitiven Störungen beeinträchtigt wird. Sie erinnern uns auch daran, wie bemerkenswert und effizient unsere Gehirne sind, selbst in den frühesten Phasen der Verarbeitung.
Wie geht es mit diesem Forschungszweig weiter?
Wir treiben die neurowissenschaftliche Forschung weiter voran, indem wir untersuchen, wie die flexible Kodierung auf der Ebene der neuronalen Schaltkreise funktioniert. Mit fMRI haben wir große Populationen von Neuronen untersucht. In einer neuen Folgestudie untersuchen wir die Schaltkreismechanismen der flexiblen Kodierung, indem wir die neurologische Aktivität im Inneren des Schädels aufzeichnen. So können wir untersuchen, wie einzelne Neuronen und neuronale Schaltkreise im menschlichen Gehirn flexibles, zielgerichtetes Verhalten unterstützen.
Wir beginnen auch zu untersuchen, wie diese Ideen für künstliche Systeme nützlich sein könnten. Menschen sind sehr gut darin, sich an neue Ziele anzupassen, auch wenn sich die Regeln ändern, aber aktuelle KI-Systeme haben oft Schwierigkeiten mit dieser Art von Flexibilität. Wir hoffen, dass das, was wir vom menschlichen Gehirn lernen, uns dabei helfen kann, Modelle zu entwickeln, die sich flüssiger anpassen - nicht nur an neue Eingaben, sondern auch an neue Kontexte.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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