A inteligência artificial já pode elaborar ensaios premiados e ajudar médicos a detectar doenças com impressionante precisão. No entanto, quando se trata de verdadeira flexibilidade mental, os cérebros humanos ainda têm uma clara vantagem.
Os humanos conseguem se ajustar a novas situações e informações com notável facilidade. Aprender a usar um novo software, tentar uma nova receita ou descobrir as regras de um novo jogo geralmente acontece rapidamente para as pessoas, enquanto os sistemas de IA normalmente enfrentam dificuldades para se adaptar em tempo real e aprender de forma eficaz “no momento”.
Em um novo estudo, neurocientistas da Universidade de Princeton identificam uma razão chave para essa diferença. O cérebro humano reutiliza repetidamente os mesmos “blocos” cognitivos em muitas situações diferentes, combinando e recombinando-os para formar novos padrões de comportamento.
“Modelos de IA de ponta podem alcançar desempenho humano, ou até super-humano, em tarefas específicas. Mas eles têm dificuldade em aprender e realizar muitas tarefas diferentes,” disse Tim Buschman, Ph.D., autor sênior do estudo e diretor associado do Instituto de Neurociência de Princeton. “Descobrimos que o cérebro é flexível porque pode reutilizar componentes da cognição em muitas tarefas diferentes. Ao montar esses ‘Legos cognitivos’, o cérebro é capaz de construir novas tarefas.”
A pesquisa foi publicada em 26 de novembro na revista Nature.
Composicionalidade: reutilizando habilidades em novas situações
Se alguém já sabe como ajustar uma bicicleta, aprender a consertar uma motocicleta pode parecer mais simples. Essa capacidade de construir uma nova habilidade a partir de habilidades mais simples e familiares extraídas de experiências relacionadas é conhecida como composicionalidade.
“Se você já sabe como fazer pão, pode usar essa habilidade para fazer um bolo sem reaprender a assar do zero,” disse Sina Tafazoli, Ph.D., pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Buschman em Princeton e autor principal do novo estudo. “Você reaproveita habilidades existentes — usar um forno, medir ingredientes, amassar a massa — e as combina com novas, como bater a massa e fazer a cobertura, para criar algo totalmente diferente.”
Até agora, as evidências sobre como exatamente o cérebro apoia esse tipo de pensamento flexível e composicional eram limitadas e, às vezes, conflitantes.
Para ter uma imagem mais clara, Tafazoli treinou dois macacos-rhesus machos para realizar três tarefas relacionadas enquanto registrava a atividade em seus cérebros.
Testando a flexibilidade com tarefas de categorização visual
Em vez de trabalhos do mundo real, como assar ou consertar bicicletas, os animais foram solicitados a executar três tarefas de categorização visual. Em uma tela, eles viam uma série de formas coloridas semelhantes a balões. O trabalho deles era decidir se cada forma se parecia mais com um coelho ou a letra “T” (categorizando a forma) ou se aparecia mais vermelha ou mais verde (categorizando a cor).
O desafio era mais difícil do que parecia. As formas variavam em quão claras eram as diferenças. Algumas imagens se pareciam claramente com um coelho ou eram vivamente vermelhas, enquanto outras eram ambíguas e exigiam um julgamento cuidadoso para distinguir as categorias.
Para relatar sua decisão sobre a forma ou a cor, cada macaco indicava sua resposta olhando em uma das quatro direções diferentes na tela. Em uma versão da tarefa, por exemplo, olhar para a esquerda significava que o animal julgava a forma como sendo um coelho, enquanto olhar para a direita sinalizava que parecia mais com um “T”.
Uma parte crucial do experimento foi que cada tarefa tinha suas próprias regras específicas, mas ainda compartilhava componentes-chave com as outras.
Uma das tarefas de cor e a tarefa de forma exigiam que os animais olhassem nas mesmas direções para indicar suas escolhas, enquanto ambas as tarefas de cor pediam aos macacos para categorizar a cor da mesma forma (como mais vermelha ou mais verde), mas olhar em direções diferentes ao sinalizar seu julgamento sobre a cor (categorizando a cor).
Esse design permitiu que os pesquisadores vissem se o cérebro reutilizava os mesmos padrões neurais, ou blocos cognitivos, sempre que as tarefas compartilhavam certas características.
O córtex pré-frontal como um hub para blocos cognitivos reutilizáveis
Após examinar padrões de atividade cerebral, Tafazoli e Buschman descobriram que o córtex pré-frontal, uma região na parte frontal do cérebro envolvida no pensamento de alto nível e na tomada de decisões, continha vários padrões recorrentes de atividade. Esses padrões apareciam sempre que grupos de neurônios trabalhavam juntos em direção a um objetivo comum, como distinguir cores.
Buschman se referiu a esses padrões como os “Legos cognitivos” do cérebro, um conjunto de blocos que podem ser combinados flexivelmente para produzir diferentes comportamentos.
“Penso em um bloco cognitivo como uma função em um programa de computador,” disse Buschman. “Um conjunto de neurônios pode discriminar cores, e sua saída pode ser mapeada em outra função que controla uma ação. Essa organização permite que o cérebro execute uma tarefa ao realizar sequencialmente cada componente dessa tarefa.”
Para uma das tarefas de cor, por exemplo, o cérebro montaria um bloco que determina a cor da imagem juntamente com outro bloco que orienta os movimentos oculares em direções específicas. Quando o animal mudava para uma tarefa diferente, como julgar formas em vez de cores, enquanto ainda usava movimentos oculares semelhantes, o cérebro simplesmente ativava o bloco para processamento de formas junto com o bloco para aqueles mesmos movimentos oculares.
Esse compartilhamento de blocos ocorreu principalmente no córtex pré-frontal e não foi observado na mesma extensão em outras regiões do cérebro. A descoberta sugere que esse tipo de composicionalidade pode ser uma característica distinta do córtex pré-frontal.
Ativando e desativando blocos para aprimorar o foco
Tafazoli e Buschman também observaram que o córtex pré-frontal parecia silenciar certos blocos cognitivos quando não eram necessários. Isso provavelmente ajuda o cérebro a se concentrar na tarefa mais relevante em um determinado momento.
“O cérebro tem uma capacidade limitada para controle cognitivo,” disse Tafazoli. “Você precisa comprimir algumas de suas habilidades para que possa se concentrar naquelas que são atualmente importantes. Focar na categorização de formas, por exemplo, momentaneamente diminui a capacidade de codificar a cor, porque o objetivo é a discriminação de forma, não de cor.”
Ao ativar e suprimir seletivamente diferentes blocos, o cérebro pode evitar sobrecargas e manter o desempenho focado no objetivo atual.
Legos cognitivos, IA e saúde mental
Esses Legos cognitivos podem ajudar a explicar por que as pessoas frequentemente conseguem aprender novas tarefas tão rapidamente. O cérebro não precisa sempre começar do zero. Em vez disso, pode usar componentes mentais existentes, recombiná-los e evitar duplicação de trabalho, uma estratégia que os sistemas de IA atuais geralmente não possuem.
“Um grande problema com o aprendizado de máquina é a interferência catastrófica,” disse Tafazoli. “Quando uma máquina ou uma rede neural aprende algo novo, ela esquece e sobrescreve memórias anteriores. Se uma rede neural artificial sabe como fazer um bolo, mas depois aprende a fazer biscoitos, ela vai esquecer como fazer o bolo.”
Incorporar a composicionalidade na IA poderia, eventualmente, tornar os sistemas artificiais mais semelhantes aos humanos em seu aprendizado, permitindo que adquiram novas habilidades ao longo do tempo sem apagar as mais antigas.
Os mesmos princípios também poderiam influenciar a medicina. Muitas condições neurológicas e psiquiátricas, incluindo esquizofrenia, transtorno obsessivo-compulsivo e algumas formas de lesão cerebral, podem dificultar a aplicação de habilidades existentes em novas situações. Esses problemas podem surgir quando o cérebro não consegue mais recombinar suavemente seus blocos cognitivos.
“Imagine poder ajudar as pessoas a recuperar a habilidade de mudar estratégias, aprender novas rotinas ou se adaptar a mudanças,” disse Tafazoli. “A longo prazo, entender como o cérebro reutiliza e recombina o conhecimento poderia nos ajudar a desenhar terapias que restauram esse processo.”
O financiamento para o estudo foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01MH129492, 5T32MH065214).
