Новое исследование показывает, что человеческий мозг может учиться без каких-либо задач или сознательного внимания, перестраивая нейронные сети во время простого исследования окружающей среды.
Скорее всего, это случалось с вами: вы выходите на прогулку бесцельно, без четкого пункта назначения, просто чтобы развеяться. Пока ваши шаги продолжаются, ваш разум блуждает. Вы можете подумать, что это время непродуктивно, пустая пауза между полезными занятиями. Однако эта отвлеченная прогулка может помочь вашему мозгу подготовиться к лучшему обучению, когда вам это действительно нужно. Эта идея, которая, кажется, взята из поэтической интуиции, была подтверждена новым исследованием, опубликованным в журнале Nature, в котором основное внимание уделяется механизму обучения, который возникает, даже когда мы не обращаем внимания.
Работа, проведенная Линь Чжуном, Мариусом Пачитариу и его сотрудниками в исследовательском кампусе Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза, демонстрирует, что мозг способен к самостоятельной тренировке. То есть вы можете учиться в окружающей среде, не требуя конкретной задачи или конкретной цели. Это обучение «без присмотра», которое до сих пор считалось свойственным алгоритмам искусственного интеллекта, оказывается глубоко активным биологическим процессом в мозге животных, в том числе в нашем собственном.
Непреднамеренное обучение: тренировка на заднем плане
Исследователи одновременно регистрировали активность десятков тысяч нейронов в зрительной коре головного мозга мышей с помощью передовой технологии визуализации, называемой мезоскопом, способной одновременно захватывать до 90 000 нейронов. Этим мышам было разрешено свободно исследовать среду виртуальной реальности: длинный коридор, украшенный различными визуальными текстурами, некоторые из которых были связаны с наградами, а некоторые — нет. В течение нескольких недель животные ходили без четкой цели, просто «исследуя».
Ключевое наблюдение было выявлено при сравнении двух групп мышей: одних, которые просто исследовали окружающую среду без каких-либо задач, и других, которые были непосредственно обучены ассоциировать определенные текстуры с наградами. Мыши, которые ранее исследовали, быстрее усваивали ассоциации, когда была введена задача, что позволяет предположить, что их мозг уже обработал и структурировал большую часть окружающей среды.
Команда обнаружила, что в отсутствие задачи определенные области зрительной коры уже были активны, кодируя визуальные особенности окружающей среды. Когда позже им было поручено конкретное задание, к обработке добавились и другие области. Это привело к убедительному выводу: «Вполне возможно, что большая часть пластичности нейронов достигается просто за счет собственного исследования окружающей среды животными», утверждает Пачитариу в пресс-релизе.
Ценность отвлечения внимания
Нейропластичность, эта способность мозга изменять свои связи на основе опыта, традиционно ассоциировалась с целенаправленным обучением: когда кто-то чему-то нас учит, когда мы решаем проблему, когда мы обращаем внимание. Это исследование ставит под сомнение эту редукционистскую точку зрения. Что она доказывает, так это то, что простое воздействие окружающей среды без каких-либо целей также приводит к длительным изменениям в мозге.
Исследователи отметили, что разные области зрительной коры специализируются на разных способах обучения. Некоторые области активировались спонтанно во время свободного исследования, в то время как другие задействовались при выполнении конкретных задач. «Это означает, что вам не всегда нужен учитель, который будет вас учить: вы все равно можете неосознанно узнавать о своем окружении», утверждает Чжун.
Два способа учиться, один и тот же мозг
В работе не только описывается неожиданный тип обучения, но и предлагается двойная модель функционирования мозга. По мнению авторов, мозг одновременно сочетает в себе два типа обучения: один без присмотра, который извлекает информацию автоматически и в целом, и другой под наблюдением, который связывает эти данные с вознаграждениями, наказаниями или задачами.
Эта гипотеза подтверждается наблюдением, что нейронные сигналы, обнаруженные во время свободного сканирования, не исчезали при введении задачи, а были интегрированы с новыми сигналами, специфичными для этой задачи. То есть пассивное обучение не только предшествует активному, но и усиливает его.
В статье предполагается, что такое поведение имеет эквивалент в алгоритмах глубокого обучения, используемых в искусственном интеллекте. В этих системах начальная фаза предварительной подготовки с использованием немаркированных данных используется для того, чтобы нейронная сеть улавливала общие закономерности, прежде чем обучать ее специально для конкретных задач. Удивительно то, что биологический мозг, по-видимому, использует аналогичную логику, как объясняется в статье: «Мы предполагаем, что кора головного мозга создает представления общего назначения во время предварительной тренировки без присмотра, которые затем повторно используются для различных задач».
Поворот в исследованиях обучения
Традиционно в исследованиях обучения в области нейробиологии приоритет отдается экспериментальным проектам с четкими задачами: животных или людей обучают выполнению конкретной задачи и измеряют, как их мозг меняется при ее изучении. Это новое исследование противоречит этой логике. Это показывает, что большая часть соответствующего обучения может происходить еще до того, как мы узнаем, в чем заключается задача.
Это открытие открывает новые возможности для понимания того, как развиваются ментальные модели, которые мы используем для взаимодействия с миром. И это поднимает вопросы об образовании, детстве, развитии навыков и когнитивной реабилитации. Если мозг учится без необходимости осознанного внимания, как мы можем способствовать такому обучению в естественных условиях? Какую роль в умственном развитии играет богатая, разнообразная и безопасная среда?
Кроме того, это предлагает новый взгляд на расстройства обучения и внимания. Возможно, вместо того, чтобы сосредотачиваться исключительно на стратегиях поддержания постоянного внимания, нам следует изучить, как использовать периоды «отвлечения» в качестве пространства для исследования и неявного обучения.
Исследовать, ничего не делая: эволюционная стратегия
С эволюционной точки зрения имеет смысл, что мозг развил эту способность учиться, даже если его об этом не просят. В дикой природе животные не всегда знают, какая информация будет актуальна в будущем. Следовательно, логично, что нервная система постоянно собирает и структурирует информацию в ожидании ее возможной полезности.
Это обучение, основанное на свободном исследовании, позволяет организму предварительно составить карту окружающей среды, обнаружить закономерности и построить внутренние представления. Затем, если появляется конкретная задача — например, найти еду или избежать хищника, — это предварительное знание ускоряет реакцию.
Этот тип спонтанной нейронной пластичности был четко виден в данных, собранных командой, которая анализировала закономерности активности в нескольких слоях зрительной коры. Они заметили, что многие нейроны изменяли свое поведение просто благодаря опыту обхода окружающей среды, не нуждаясь в подкреплениях, таких как награды или наказания.
Эта идея бросает вызов классическому бихевиористскому подходу, который доминировал в психологии на протяжении большей части двадцатого века. И в то же время связывает изучение человеческого разума с новейшими достижениями в области искусственного интеллекта, замыкая увлекательный цикл между биологией и технологиями.
Источник: doi.org/10.1038/s41586-025-09180-y.
