A inteligência artificial agora pode elaborar ensaios premiados e ajudar médicos a detectar doenças com uma precisão impressionante. No entanto, quando se trata de verdadeira flexibilidade mental, os cérebros humanos ainda possuem a clara vantagem.
Os humanos conseguem se adaptar a novas situações e informações com uma facilidade notável. Aprender a usar um novo software, experimentar uma nova receita ou entender as regras de um novo jogo frequentemente acontece rapidamente para as pessoas, enquanto os sistemas de IA normalmente têm dificuldade em se adaptar em tempo real e em aprender de forma eficaz “no momento.”
Em um novo estudo, neurocientistas da Princeton University identificam uma razão chave para essa diferença. O cérebro humano reutiliza repetidamente os mesmos “blocos” cognitivos em diversas situações, combinando e recombinando-os para formar novos padrões de comportamento.
“Modelos de IA de última geração podem alcançar desempenho humano ou até super-humano em tarefas individuais. Mas eles lutam para aprender e executar várias tarefas diferentes,” disse Tim Buschman, Ph.D., autor sênior do estudo e diretor associado do Princeton Neuroscience Institute. “Descobrimos que o cérebro é flexível porque pode reutilizar componentes da cognição em muitas tarefas diferentes. Ao juntar 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 assar pão, pode usar essa habilidade para assar um bolo sem re-aprender a assar do zero,” disse Sina Tafazoli, Ph.D., pesquisador pós-doutorado no laboratório de Buschman em Princeton e autor principal do novo estudo. “Você reutiliza habilidades existentes — como usar um forno, medir ingredientes, amassar a massa — e as combina com novas, como bater a massa e fazer cobertura, para criar algo completamente diferente.”
Até agora, as evidências sobre como o cérebro apoia esse tipo de pensamento flexível e composicional foram limitadas e, às vezes, conflitantes.
Para ter uma visão 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 realizar três tarefas de categorização visual. Em uma tela, eles viram uma série de blobs coloridos semelhantes a balões. Sua tarefa era decidir se cada blob se parecia mais com um coelho ou com a letra “T” (categorizando a forma) ou se parecia mais vermelho ou mais verde (categorizando a cor).
A tarefa era mais difícil do que parecia. Os blobs variavam na clareza das diferenças. Algumas imagens obviamente se assemelhavam a um coelho ou eram vividamente 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 que o blob era um coelho, enquanto olhar para a direita sinalizava que parecia mais um “T.”
Uma parte crucial do experimento era que cada tarefa tinha suas próprias regras específicas, mas ainda assim 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 que categorizassem a cor da mesma forma (como mais vermelho ou mais verde), mas olhassem em direções diferentes ao sinalizar seu julgamento de 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 certos recursos.
Córtex pré-frontal como um centro 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 em pensamento de alto nível e tomada de decisão, 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 de forma flexível para produzir comportamentos diferentes.
“Eu penso em um bloco cognitivo como uma função em um programa de computador,” disse Buschman. “Um conjunto de neurônios pode discriminar cor, e sua saída pode ser mapeada para uma outra função que conduz uma ação. Essa organização permite que o cérebro execute uma tarefa realizando, sequencialmente, cada componente dessa tarefa.”
Para uma das tarefas de cor, por exemplo, o cérebro montaria um bloco que determina a cor da imagem junto com outro bloco que guia os movimentos oculares em direções particulares. Quando o animal mudava para uma tarefa diferente, como julgar formas em vez de cores, ainda usando os mesmos movimentos oculares, o cérebro simplesmente ativava o bloco para processamento de formas junto com o bloco para aqueles mesmos movimentos oculares.
Essa partilha de blocos ocorreu principalmente no córtex pré-frontal e não foi observada na mesma extensão em outras regiões do cérebro. A descoberta sugere que esse tipo de composicionalidade pode ser uma característica distintiva 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 qualquer 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 cores porque o objetivo é a discriminação de formas, não cores.”
Ao ativar e suprimir seletivamente diferentes blocos, o cérebro pode evitar ficar sobrecarregado 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 costumam conseguir aprender novas tarefas tão rapidamente. O cérebro não precisa sempre começar do zero. Em vez disso, ele pode se basear em componentes mentais existentes, recombiná-los e evitar duplicar esforços, 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 assar um bolo, mas depois aprende a assar biscoitos, ela esquecerá como assar o bolo.”
Incorporar a composicionalidade na IA poderia eventualmente tornar os sistemas artificiais mais semelhantes ao humano em seu aprendizado, permitindo que adquiram novas habilidades com o tempo sem apagar as 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 capacidade das pessoas de aplicar 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 capacidade 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 projetar terapias que restauram esse processo.”
O financiamento para o estudo foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01MH129492, 5T32MH065214).
