Корисність пам’яті вказує, де її зберігає мозок | Журнал Quanta

Пам'ять не представляє жодної наукової таємниці; їх багато. Нейробіологи та психологи дійшли висновку про різні типи пам’яті, які співіснують у нашому мозку: епізодичні спогади про минулий досвід, семантичні спогади про факти, короткочасні та довгострокові спогади тощо. Вони часто мають різні характеристики і навіть, здається, розташовані в різних частинах мозку. Але ніколи не було зрозуміло, яка особливість пам’яті визначає, як і чому її слід сортувати таким чином.

Тепер нова теорія, підкріплена експериментами з використанням штучних нейронних мереж, припускає, що мозок може сортувати спогади, оцінюючи, наскільки ймовірно, що вони будуть корисними в якості орієнтирів у майбутньому. Зокрема, це припускає, що багато спогадів про передбачувані речі, починаючи від фактів і закінчуючи корисним повторюваним досвідом — як-от те, що ви регулярно їсте на сніданок або прогулянку на роботу — зберігаються в неокортексі мозку, де вони можуть сприяти узагальненню про світ. Спогади, які менш імовірно будуть корисними, як-от смак унікального напою, який ви випили на одній вечірці, зберігаються в банку пам’яті у формі морського коника, який називається гіпокамп. Активне розділення спогадів таким чином на основі їх корисності та можливості узагальнення може оптимізувати надійність спогадів, щоб допомогти нам орієнтуватися в нових ситуаціях.

Автори нової теорії — нейробіологи Вейнань Сун та Джеймс Фіцджеральд Дослідницького кампусу Джанелія Медичного інституту Говарда Хьюза, Андрій Сакс Університетського коледжу Лондона та їхні колеги — описали це в недавній документ in Nature Neuroscience. Він оновлює та розширює усталену ідею про те, що мозок має дві взаємопов’язані системи навчання: гіпокамп, який швидко кодує нову інформацію, та неокортекс, який поступово об’єднує її для тривалого зберігання.

Джеймс Макклелланд, когнітивний нейробіолог зі Стенфордського університету, який запропонував ідею комплементарних систем навчання в пам’яті, але не брав участь у новому дослідженні, зауважив, що воно «розглядає аспекти узагальнення», про які його власна група не думала, коли пропонувала теорію в середина 1990-х років.

Вчені визнали, що формування пам’яті є багатоступеневим процесом принаймні з початку 1950-х років, частково завдяки дослідженням пацієнта на ім’я Генрі Молезон, який десятиліттями відомий у науковій літературі лише як HM, тому що він страждав від неконтрольованих судом, які виникли в його гіпокампі. хірурги вилікували його, видаливши більшу частину цієї структури мозку. Після цього пацієнт виглядав цілком нормальним у більшості аспектів: його словниковий запас був незмінним; він зберіг свої спогади дитинства та інші подробиці свого життя до операції. Однак він завжди забував про медсестру, яка доглядала за ним. Протягом десяти років, що вона піклувалася про нього, їй доводилося щоранку представлятися заново. Він повністю втратив здатність створювати нові довгострокові спогади.

Симптоми Молезона допомогли вченим виявити, що нові спогади спочатку формуються в гіпокампі, а потім поступово переносяться в неокортекс. Деякий час вважалося, що це сталося з усіма постійними спогадами. Однак, як тільки дослідники почали бачити a зростаюче число З прикладів спогадів, які залишалися залежними від гіпокампу в довгостроковій перспективі, стало ясно, що відбувається щось інше.

Щоб зрозуміти причину цієї аномалії, автори нової статті звернулися до штучних нейронних мереж, оскільки функції мільйонів переплетених нейронів у мозку неймовірно складні. Ці мережі є «приблизною ідеалізацією біологічних нейронів», але набагато простіші, ніж реальні, сказав Сакс. Подібно до живих нейронів, вони мають шари вузлів, які отримують дані, обробляють їх, а потім надають зважені результати іншим рівням мережі. Подібно до того, як нейрони впливають один на одного через свої синапси, вузли в штучних нейронних мережах регулюють свої рівні активності на основі вхідних даних від інших вузлів.

Команда об’єднала три нейронні мережі з різними функціями, щоб розробити обчислювальну структуру, яку вони назвали моделлю вчитель-блокнот-учень. Мережа вчителів представляла середовище, в якому міг опинитися організм; це забезпечило внески досвіду. Мережа блокнотів являла собою гіпокамп, швидко кодуючи всі деталі кожного досвіду, наданого вчителем. Студентська мережа тренувалася за зразками вчителя, перевіряючи те, що було записано в зошиті. «Мета студентської моделі полягає в тому, щоб знайти нейрони — вузли — і вивчити зв’язки [що описують], як вони можуть відновити свою модель активності», — сказав Фіцджеральд.

Повторне відтворення спогадів із блокнотної мережі залучило студентську мережу до загальної моделі через виправлення помилок. Але дослідники також помітили виняток із правила: якщо учня навчали надто багато непередбачуваних спогадів — шумових сигналів, які надто сильно відрізнялися від решти, — це погіршувало здатність учня вивчати узагальнений шаблон.

З логічної точки зору, «це має великий сенс», сказав Сан. Уявіть собі, як ви отримуєте пакунок у себе вдома, пояснив він: якщо пакунок містить щось корисне для майбутнього, «наприклад, чашки для кави та посуд», звучить розумно принести його у свій дім і зберігати там постійно. Але якщо в упаковці є костюм Людини-павука для вечірки на Хеллоуїн або брошура для розпродажу, не потрібно захаращувати ними будинок. Ці предмети можна зберігати окремо або викинути.

Дослідження забезпечує цікаву конвергенцію між системами, що використовуються в штучному інтелекті, і тими, які використовуються для моделювання мозку. Це приклад, коли «теорія цих штучних систем дала нові концептуальні ідеї щодо спогадів у мозку», — сказав Сакс.

Існують паралелі, наприклад, з тим, як працюють комп’ютеризовані системи розпізнавання обличчя. Вони можуть почати з того, що запропонують користувачам завантажити свої зображення високої чіткості з різних ракурсів. Зв’язки всередині нейронної мережі можуть скласти загальну концепцію того, як виглядає обличчя з різних кутів і з різними виразами. Але якщо ви завантажуєте фотографію, «на якій зображено обличчя вашого друга, система не зможе визначити передбачуване відображення облич між ними», — сказав Фіцджеральд. Це пошкоджує узагальнення та робить систему менш точною при розпізнаванні нормального обличчя.

Ці зображення активують певні вхідні нейрони, а потім активність проходить через мережу, регулюючи ваги з’єднань. З більшою кількістю зображень модель додатково коригує ваги з’єднань між вузлами, щоб мінімізувати помилки виводу.

Але тільки тому, що досвід незвичайний і не вписується в узагальнення, це не означає, що його слід відкинути і забути. Навпаки, може бути життєво важливо пам’ятати виняткові події. Здається, саме тому мозок сортує свої спогади за різними категоріями, які зберігаються окремо, причому неокортекс використовується для надійних узагальнень, а гіпокамп – для винятків.

За словами Макклелланда, такі дослідження підвищують обізнаність про «помилковість людської пам’яті». Пам’ять — це обмежений ресурс, і біології довелося піти на компроміс, щоб якнайкраще використати обмежені ресурси. Навіть гіпокамп не містить ідеального запису досвіду. Кожного разу, коли згадується досвід, відбуваються зміни у вагах з’єднань мережі, що призводить до більш усередненого значення елементів пам’яті. Це викликає питання щодо обставин, за яких «свідчення очевидців [можуть] бути захищені від упередженості та впливу повторних нападів запитів», сказав він.

Модель також може запропонувати зрозуміти більш фундаментальні питання. «Як ми накопичуємо надійні знання та приймаємо обґрунтовані рішення?» сказав Джеймс Ентоні, нейробіолог з Каліфорнійського політехнічного державного університету, який не брав участі в дослідженні. Це показує важливість оцінки спогадів для створення надійних прогнозів — велика кількість шумних даних або недостовірної інформації може бути настільки ж непридатною для навчання людей, як і для навчання моделей ШІ.