Όταν βελτιώνεστε σε μια δεξιότητα -αναγνωρίζοντας ένα οικείο πρόσωπο σε ένα πλήθος, εντοπίζοντας ένα τυπογραφικό λάθος με μια ματιά ή προβλέποντας την επόμενη κίνηση σε ένα παιχνίδι- οι αισθητήριοι νευρώνες στον εγκέφαλό σας γίνονται πιο συντονισμένοι, μοιράζοντας πληροφορίες αντί να ενεργούν πιο ανεξάρτητα.
Αυτό είναι το συμπέρασμα μιας μελέτης ερευνητών του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ και του Ινστιτούτου Νευροεπιστημών Del Monte, που δημοσιεύτηκε στο Science, η οποία αμφισβητεί μια μακροχρόνια υπόθεση στη νευροεπιστήμη ότι η μάθηση βελτιώνει την αποτελεσματικότητα ελαχιστοποιώντας την επανάληψη σε όλα τα νευρωνικά σήματα.
Με επικεφαλής τον Shizhao Liu, μεταπτυχιακό φοιτητή στα εργαστήρια των Ralf Haefner και Adam Snyder, και οι δύο μέλη ΔΕΠ στο Τμήμα Επιστημών Εγκεφάλου και Γνωστικών Επιστημών, η μελέτη δείχνει ότι η μάθηση αυξάνει την κοινή δραστηριότητα μεταξύ των νευρώνων. Τα ευρήματα θα μπορούσαν να παρέχουν πληροφορίες για τις μαθησιακές διαταραχές και να εμπνεύσουν πιο ευέλικτα, ανθρώπινα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης.
«Η κυρίαρχη άποψη στη νευροεπιστήμη είναι ότι η μάθηση κάνει τον εγκέφαλο πιο αποτελεσματικό ωθώντας τους νευρώνες να ενεργούν πιο ανεξάρτητα, έτσι ώστε οι πληροφορίες να μπορούν να διαβάζονται πιο καθαρά», λέει ο Liu. «Τα αποτελέσματά μας υποστηρίζουν μια διαφορετική ιδέα, ότι οι αισθητηριακές περιοχές του εγκεφάλου δεν κωδικοποιούν απλώς παθητικά τον κόσμο. Εκτελούν ενεργά συμπερασματολογία συνδυάζοντας αυτό που εισέρχεται με αυτό που ο εγκέφαλος έχει μάθει να περιμένει».
Πώς η μάθηση αναδιαμορφώνει την νευρωνική ομαδική εργασία
Για δεκαετίες, οι ερευνητές πίστευαν ότι η μάθηση βελτιστοποιούσε τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις πληροφορίες μειώνοντας την κοινή δραστηριότητα μεταξύ των νευρώνων, επιτρέποντας την πιο αποτελεσματική ανάγνωση των πληροφοριών. Η ιδέα διαμόρφωσε τον τρόπο με τον οποίο οι ερευνητές σκέφτονταν τα πάντα, από την αντίληψη έως τη λήψη αποφάσεων.
Αλλά η έρευνα των Liu, Haefner, Snyder και της ομάδας τους υποδηλώνει έναν διαφορετικό μηχανισμό. Αντί να γίνονται πιο ανεξάρτητοι, οι νευρώνες γίνονται πιο συντονισμένοι καθώς εξελίσσεται η μάθηση, αυξάνοντας την ποσότητα των πληροφοριών που μοιράζονται, ιδιαίτερα όταν ο εγκέφαλος ασχολείται ενεργά με μια εργασία και λαμβάνει αποφάσεις.
Αυτός ο συντονισμός αντανακλά την αυξανόμενη εξάρτηση του εγκεφάλου από τις εσωτερικές προσδοκίες. Καθώς η μάθηση προχωρά, η ανατροφοδότηση από περιοχές του εγκεφάλου υψηλότερου επιπέδου φαίνεται να διαμορφώνει τον τρόπο με τον οποίο ανταποκρίνονται οι αισθητήριοι νευρώνες, επιτρέποντας στην αντίληψη να ενσωματώνει τόσο τις εισερχόμενες πληροφορίες όσο και αυτά που έχει μάθει ο εγκέφαλος από προηγούμενες εμπειρίες.
Παρακολούθηση νευρώνων καθώς εξελίσσεται η μάθηση
Οι ερευνητές παρακολούθησαν τη δραστηριότητα των ίδιων μικρών δικτύων νευρώνων στον οπτικό φλοιό για αρκετές εβδομάδες καθώς τα άτομα μάθαιναν να διακρίνουν διαφορετικά οπτικά μοτίβα. Η ομάδα μέτρησε εάν οι νευρώνες ενεργούσαν όλο και περισσότερο μόνοι τους ή μοιράζονταν περισσότερες πληροφορίες καθώς η μάθηση προχωρούσε.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι πριν από τη μάθηση, οι νευρώνες λειτουργούσαν ως επί το πλείστον ανεξάρτητα. Αλλά καθώς τα άτομα βελτίωναν τις οπτικές τους δεξιότητες, οι νευρώνες άρχισαν να συμπεριφέρονται περισσότερο σαν μια καλά εκπαιδευμένη αθλητική ομάδα, επικοινωνώντας και συνεργαζόμενοι με συντονισμένο τρόπο.
«Είναι λίγο σαν μια ομάδα ανθρώπων που λύνει ένα πρόβλημα», λέει ο Snyder. «Αντί να εργάζονται μεμονωμένα όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά, η μάθηση τους κάνει να επικοινωνούν περισσότερο. Αυτή η κοινή χρήση πληροφοριών κάνει κάθε άτομο καλύτερα ενημερωμένο και ενδεχομένως κάνει την ομάδα πιο ευέλικτη και προσαρμοστική».
Είναι σημαντικό ότι αυτό το συντονισμένο φαινόμενο εμφανίστηκε μόνο όταν τα άτομα εκτελούσαν ενεργά μια εργασία και έπαιρναν αποφάσεις με βάση αυτό που έβλεπαν. Όταν κοίταζαν παθητικά τις ίδιες εικόνες χωρίς να χρειάζεται να απαντήσουν, το φαινόμενο εξαφανιζόταν.
Οι νευρώνες που ήταν πιο σημαντικοί για την εργασία έδειξαν τη μεγαλύτερη ώθηση στον συντονισμό, ειδικά στις στιγμές που λαμβάνονταν αποφάσεις.
Αλλά αυτές είναι ευέλικτες -όχι μόνιμες- αλλαγές. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτές οι μετατοπίσεις καθοδηγούνται από σήματα ανατροφοδότησης από περιοχές του εγκεφάλου υψηλότερου επιπέδου, επιτρέποντας στους νευρώνες να προσαρμόζουν τη συμπεριφορά τους εν κινήσει, ανάλογα με την εργασία.
Τα αποτελέσματα υποστηρίζουν μια αυξανόμενη ιδέα στη νευροεπιστήμη ότι ο εγκέφαλος δεν είναι ένας απλός ιμάντας μεταφοράς που μεταδίδει πληροφορίες. Αντίθετα, συνδυάζει συνεχώς αυτό που βλέπουμε με αυτό που περιμένουμε να δούμε, δημιουργώντας μια πλουσιότερη, πιο ενημερωμένη εικόνα του κόσμου. Αυτή η ανάμειξη απαιτεί ομάδες νευρώνων να δρουν μαζί, όχι ξεχωριστά.
Στοιχεία για την υγεία και την Τεχνητή Νοημοσύνη
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος συντονίζει τους νευρώνες κατά τη διάρκεια της μάθησης θα μπορούσε να προσφέρει νέες γνώσεις σχετικά με τις μαθησιακές διαταραχές και τις παθήσεις που επηρεάζουν την αντίληψη. Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους επιστήμονες να σχεδιάσουν συστήματα τεχνητής νοημοσύνης που γενικεύουν καλύτερα, εμπνεόμενοι από τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος συνδυάζει ευέλικτα προηγούμενες προσδοκίες με νέες αισθητηριακές πληροφορίες.
«Τα περισσότερα σύγχρονα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης βασίζονται σε διακριτικές αρχιτεκτονικές που αντιστοιχίζουν αισθητηριακές εισόδους απευθείας σε εξόδους», λέει ο Haefner. H έρευνα υποδηλώνει ότι η ενσωμάτωση γενετικών βρόχων ανατροφοδότησης -στους οποίους τα εσωτερικά μοντέλα διαμορφώνουν αισθητηριακές αναπαραστάσεις- μπορεί να οδηγήσει σε συστήματα που μαθαίνουν ταχύτερα από περιορισμένα δεδομένα, είναι πιο ανθεκτικά στην αβεβαιότητα και προσαρμόζονται πιο ευέλικτα σε μεταβαλλόμενες εργασίες.
Περισσότερες πληροφορίες: Shizhao Liu et al, Task learning increases information redundancy of neural responses in macaque visual cortex, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adw7707.
