ประโยชน์ของความทรงจำที่สมองบันทึกไว้ | นิตยสารควอนต้า

ความทรงจำไม่ได้แสดงถึงความลึกลับทางวิทยาศาสตร์เพียงอย่างเดียว มันเยอะมาก นักประสาทวิทยาและนักจิตวิทยาได้รู้จักความทรงจำประเภทต่างๆ ที่มีอยู่ร่วมกันในสมองของเรา: ความทรงจำที่เป็นเหตุการณ์เกี่ยวกับประสบการณ์ในอดีต ความทรงจำทางความหมายของข้อเท็จจริง ความทรงจำระยะสั้นและระยะยาว และอื่นๆ สิ่งเหล่านี้มักมีลักษณะที่แตกต่างกันและดูเหมือนว่าจะอยู่ในส่วนต่าง ๆ ของสมองด้วยซ้ำ แต่ไม่เคยมีความชัดเจนว่าคุณลักษณะใดของหน่วยความจำเป็นตัวกำหนดว่าควรจัดเรียงอย่างไรหรือทำไม

ขณะนี้ ทฤษฎีใหม่ที่ได้รับการสนับสนุนจากการทดลองโดยใช้โครงข่ายประสาทเทียมเสนอว่าสมองอาจกำลังจัดเรียงความทรงจำโดยการประเมินว่ามีแนวโน้มว่าจะเป็นประโยชน์เป็นแนวทางในอนาคตเพียงใด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความทรงจำมากมายเกี่ยวกับสิ่งที่คาดเดาได้ ตั้งแต่ข้อเท็จจริงไปจนถึงประสบการณ์ที่เป็นประโยชน์ เช่น สิ่งที่คุณกินเป็นประจำเป็นอาหารเช้าหรือการเดินไปทำงาน จะถูกบันทึกไว้ในนีโอคอร์เท็กซ์ของสมอง ซึ่งสิ่งเหล่านี้สามารถมีส่วนช่วยในการสรุปภาพรวมเกี่ยวกับโลกได้ ความทรงจำที่ไม่น่าจะมีประโยชน์ เช่น รสชาติของเครื่องดื่มพิเศษที่คุณมีในงานปาร์ตี้นั้น จะถูกเก็บไว้ในธนาคารความทรงจำรูปม้าน้ำที่เรียกว่าฮิปโปแคมปัส การแยกความทรงจำในลักษณะนี้โดยพิจารณาจากประโยชน์ใช้สอยและลักษณะทั่วไปของความทรงจำอาจเพิ่มประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือของความทรงจำเพื่อช่วยเรานำทางสถานการณ์ใหม่ๆ

ผู้เขียนทฤษฎีใหม่คือนักประสาทวิทยา เว่ยหนาน ซุน และ เจมส์ ฟิตซ์เจอรัลด์ ของวิทยาเขตการวิจัย Janelia ของสถาบันการแพทย์ Howard Hughes, แอนดรูว์ แซกส์ ของ University College London และเพื่อนร่วมงานของพวกเขา — อธิบายไว้ใน กระดาษล่าสุด in ประสาทธรรมชาติ. โดยอัปเดตและขยายแนวคิดที่เป็นที่ยอมรับแล้วว่าสมองมีระบบการเรียนรู้เสริมที่เชื่อมโยงกันสองระบบ: ฮิบโปแคมปัสซึ่งเข้ารหัสข้อมูลใหม่อย่างรวดเร็ว และนีโอคอร์เท็กซ์ซึ่งค่อยๆ รวมเข้าด้วยกันเพื่อจัดเก็บข้อมูลระยะยาว

เจมส์ แมคเคลลแลนด์นักประสาทวิทยาด้านความรู้ความเข้าใจที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดผู้บุกเบิกแนวคิดเกี่ยวกับระบบการเรียนรู้เสริมในความทรงจำ แต่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาใหม่นี้ ตั้งข้อสังเกตว่า การศึกษานี้ "กล่าวถึงแง่มุมต่างๆ ของการวางนัยทั่วไป" ที่กลุ่มของเขาเองไม่ได้คิดถึงเมื่อพวกเขาเสนอทฤษฎีใน กลางทศวรรษ 1990

นักวิทยาศาสตร์ตระหนักดีว่าการสร้างความจำเป็นกระบวนการที่มีหลายขั้นตอนตั้งแต่อย่างน้อยต้นทศวรรษ 1950 ส่วนหนึ่งจากการศึกษาผู้ป่วยชื่อเฮนรี โมไลสัน ซึ่งเป็นที่รู้จักมานานหลายทศวรรษในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ในชื่อ HM เท่านั้น เพราะเขาทนทุกข์ทรมานจากอาการชักที่ไม่สามารถควบคุมได้ซึ่งมีต้นกำเนิดในฮิปโปแคมปัสของเขา ศัลยแพทย์ทำการรักษาเขาโดยการนำโครงสร้างสมองส่วนใหญ่ออก หลังจากนั้น ผู้ป่วยก็ดูค่อนข้างปกติในหลายๆ ด้าน คำศัพท์ของเขายังครบถ้วน เขาเก็บความทรงจำในวัยเด็กและจำรายละเอียดอื่นๆ ของชีวิตก่อนการผ่าตัดได้ แต่เขากลับลืมพยาบาลที่ดูแลเขามาตลอด ในช่วงทศวรรษที่เธอดูแลเขา เธอต้องแนะนำตัวเองใหม่ทุกเช้า เขาสูญเสียความสามารถในการสร้างความทรงจำระยะยาวใหม่ไปโดยสิ้นเชิง

อาการของโมไลสันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าความทรงจำใหม่ๆ เกิดขึ้นครั้งแรกในฮิบโปแคมปัส จากนั้นจึงค่อยๆ ถ่ายโอนไปยังนีโอคอร์เทกซ์ เป็นที่ทราบกันดีว่าเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับความทรงจำที่ยังคงอยู่มาระยะหนึ่งแล้ว อย่างไรก็ตาม เมื่อนักวิจัยเริ่มมองเห็นก จำนวนที่เพิ่มขึ้น จากตัวอย่างความทรงจำที่ยังคงขึ้นอยู่กับฮิบโปแคมปัสในระยะยาว ปรากฏชัดเจนว่ามีอย่างอื่นเกิดขึ้น

เพื่อทำความเข้าใจเหตุผลเบื้องหลังความผิดปกตินี้ ผู้เขียนรายงานฉบับใหม่จึงหันมาใช้โครงข่ายประสาทเทียม เนื่องจากการทำงานของเซลล์ประสาทนับล้านที่พันกันในสมองนั้นซับซ้อนอย่างไม่อาจหยั่งรู้ได้ เครือข่ายเหล่านี้เป็น "การทำให้เซลล์ประสาทชีวภาพในอุดมคติโดยประมาณ" แต่ง่ายกว่าของจริงมาก Saxe กล่าว เช่นเดียวกับเซลล์ประสาทที่มีชีวิต พวกมันมีโหนดหลายชั้นที่รับข้อมูล ประมวลผล จากนั้นให้เอาต์พุตแบบถ่วงน้ำหนักไปยังเลเยอร์อื่นๆ ของเครือข่าย เช่นเดียวกับที่เซลล์ประสาทมีอิทธิพลต่อกันและกันผ่านไซแนปส์ โหนดในโครงข่ายประสาทเทียมจะปรับระดับกิจกรรมตามอินพุตจากโหนดอื่น

ทีมงานเชื่อมโยงโครงข่ายประสาทเทียมสามเครือข่ายที่มีฟังก์ชันต่างกันเพื่อพัฒนากรอบการคำนวณที่เรียกว่าแบบจำลองครู-โน้ตบุ๊ก-นักเรียน เครือข่ายครูเป็นตัวแทนของสภาพแวดล้อมที่สิ่งมีชีวิตอาจพบได้ มันให้ข้อมูลประสบการณ์ เครือข่ายสมุดบันทึกเป็นตัวแทนของฮิปโปแคมปัส โดยเข้ารหัสรายละเอียดทั้งหมดของทุกประสบการณ์ที่ครูมอบให้อย่างรวดเร็ว เครือข่ายนักเรียนได้รับการอบรมเรื่องรูปแบบจากอาจารย์โดยปรึกษาหารือกับสิ่งที่บันทึกไว้ในสมุดบันทึก “เป้าหมายของแบบจำลองนักเรียนคือการค้นหาเซลล์ประสาท – โหนด – และเรียนรู้การเชื่อมต่อ [อธิบาย] ว่าพวกเขาสามารถสร้างรูปแบบกิจกรรมของพวกเขาใหม่ได้อย่างไร” ฟิตซ์เจอรัลด์กล่าว

การเล่นซ้ำซ้ำของความทรงจำจากเครือข่ายโน้ตบุ๊กทำให้เครือข่ายนักเรียนมีรูปแบบทั่วไปผ่านการแก้ไขข้อผิดพลาด แต่นักวิจัยยังสังเกตเห็นข้อยกเว้นของกฎ: หากนักเรียนได้รับการฝึกฝนเกี่ยวกับความทรงจำที่คาดเดาไม่ได้มากเกินไป - สัญญาณที่มีเสียงดังซึ่งเบี่ยงเบนไปจากส่วนที่เหลือมากเกินไป - มันจะลดความสามารถของนักเรียนในการเรียนรู้รูปแบบทั่วไป

จากมุมมองเชิงตรรกะ “สิ่งนี้สมเหตุสมผลมาก” ซันกล่าว ลองนึกภาพการรับพัสดุที่บ้านของคุณ เขาอธิบายว่า: หากพัสดุนั้นมีสิ่งที่มีประโยชน์สำหรับอนาคต “เช่น แก้วกาแฟและจานชาม” ก็ฟังดูสมเหตุสมผลที่จะนำมันเข้าไปในบ้านของคุณและเก็บไว้ที่นั่นอย่างถาวร แต่หากแพ็คเกจประกอบด้วยชุดสไปเดอร์แมนสำหรับงานปาร์ตี้ฮัลโลวีนหรือมีโบรชัวร์ขายก็ไม่จำเป็นต้องทำให้บ้านเกะกะ รายการเหล่านั้นสามารถจัดเก็บแยกกันหรือโยนทิ้งไป

การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงการบรรจบกันที่น่าสนใจระหว่างระบบที่ใช้ในปัญญาประดิษฐ์และระบบที่ใช้ในการสร้างแบบจำลองสมอง นี่เป็นตัวอย่างที่ “ทฤษฎีของระบบประดิษฐ์เหล่านั้นได้ให้แนวความคิดใหม่ๆ ในการคิดเกี่ยวกับความทรงจำในสมอง” Saxe กล่าว

มีความคล้ายคลึงกัน เช่น วิธีการทำงานของระบบจดจำใบหน้าด้วยคอมพิวเตอร์ อาจเริ่มต้นด้วยการแจ้งให้ผู้ใช้อัปโหลดภาพที่มีความคมชัดสูงของตนเองจากมุมที่ต่างกัน การเชื่อมต่อภายในโครงข่ายประสาทเทียมสามารถปะติดปะต่อแนวคิดทั่วไปว่าใบหน้าจะเป็นอย่างไรจากมุมที่ต่างกันและด้วยการแสดงออกที่แตกต่างกัน แต่ถ้าคุณบังเอิญอัพโหลดภาพถ่าย “ที่มีใบหน้าของเพื่อนของคุณอยู่ในนั้น ระบบจะไม่สามารถระบุแผนที่ใบหน้าที่คาดเดาได้ระหว่างคนทั้งสอง” ฟิตซ์เจอรัลด์กล่าว มันทำลายลักษณะทั่วไปและทำให้ระบบจดจำใบหน้าปกติได้แม่นยำน้อยลง

รูปภาพเหล่านี้จะเปิดใช้งานเซลล์ประสาทอินพุตเฉพาะ และกิจกรรมจะไหลผ่านเครือข่าย เพื่อปรับน้ำหนักการเชื่อมต่อ ด้วยรูปภาพที่มากขึ้น โมเดลจะปรับน้ำหนักการเชื่อมต่อระหว่างโหนดเพิ่มเติมเพื่อลดข้อผิดพลาดในเอาต์พุตให้เหลือน้อยที่สุด

แต่เพียงเพราะประสบการณ์นั้นไม่ปกติและไม่เข้ากับภาพรวม ไม่ได้หมายความว่ามันควรจะละทิ้งและลืมไป ในทางตรงกันข้าม การจดจำประสบการณ์พิเศษเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง นั่นดูเหมือนจะเป็นสาเหตุว่าทำไมสมองจึงจัดเรียงความทรงจำออกเป็นหมวดหมู่ต่างๆ และจัดเก็บแยกกัน โดยที่นีโอคอร์เท็กซ์ใช้สำหรับสรุปข้อมูลที่เชื่อถือได้ และฮิปโปแคมปัสเป็นข้อยกเว้น

การวิจัยประเภทนี้สร้างความตระหนักเกี่ยวกับ "ความผิดพลาดของความทรงจำของมนุษย์" McClelland กล่าว หน่วยความจำเป็นทรัพยากรที่มีจำกัด และชีววิทยาจำเป็นต้องประนีประนอมเพื่อใช้ทรัพยากรที่มีจำกัดให้เกิดประโยชน์สูงสุด แม้แต่ฮิปโปแคมปัสก็ยังไม่มีบันทึกประสบการณ์ที่สมบูรณ์แบบ แต่ละครั้งที่มีการเรียกคืนประสบการณ์ จะมีการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักการเชื่อมต่อของเครือข่าย ส่งผลให้องค์ประกอบหน่วยความจำได้รับค่าเฉลี่ยมากขึ้น เอกสารดังกล่าวทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับสถานการณ์ที่ “คำให้การของพยาน [สามารถ] ได้รับการปกป้องจากอคติและอิทธิพลจากการถูกโจมตีซ้ำแล้วซ้ำเล่า” เขากล่าว

แบบจำลองนี้อาจให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคำถามพื้นฐานเพิ่มเติม “เราจะสร้างความรู้ที่เชื่อถือได้และตัดสินใจอย่างมีข้อมูลได้อย่างไร” พูดว่า เจมส์ แอนโทนี่นักประสาทวิทยาจาก California Polytechnic State University ที่ไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาวิจัยนี้ โดยแสดงให้เห็นความสำคัญของการประเมินความทรงจำเพื่อการคาดการณ์ที่เชื่อถือได้ ข้อมูลที่มีเสียงดังหรือข้อมูลที่ไม่น่าเชื่อถือจำนวนมากอาจไม่เหมาะสำหรับการฝึกมนุษย์พอๆ กับสำหรับการฝึกโมเดล AI