چگونه مغز تخصیص منابع را بهینه می کند

همکاری بین SISSA و دانشگاه پنسیلوانیا وجود یک فرآیند کارآمد کدگذاری حسی در موش‌ها را نشان می‌دهد که یک اصل کلی برای استفاده بهینه از منابع محاسباتی را پیشنهاد می‌کند. این مطالعه، منتشر شده در eLife، راه را برای درک مکانیسم های عصبی اساسی در پشت این کارایی و توسعه سیستم های هوش مصنوعی بر اساس اصول مشابه هموار می کند.

مغز انسان ها در حالت استراحت قرار است از یک پنجم انرژی تولید شده توسط بدن آنها استفاده کند، یعنی حدود 20 وات انرژی. در واقع، اگر مغز ما به مکانیزم کدگذاری کارآمدی مجهز نبود که به ما اجازه می‌دهد فقط اطلاعاتی را که واقعاً در جریان گسترده و مداوم محرک‌های حسی مفید هستند، نشان دهیم، هزینه بسیار بیشتر خواهد بود. مطالعه جدیدی که توسط SISSA و دانشگاه پنسیلوانیا انجام شده است که در eLife، وجود فرآیندهای کدگذاری کارآمد مشابه برای محرک های بصری در جوندگان را نشان می دهد. نتایج به تئوری مهم رمزگذاری کارآمد ادراک حسی پشتیبانی می‌کند و راه را به سوی رویکردهای تجربی جدید برای درک مکانیسم‌های عصبی زیربنایی و توسعه پروتکل‌های آموزشی جدید برای سیستم‌های بینایی مصنوعی هموار می‌کند.

در اوایل دهه 60، دانشمند بریتانیایی هوراس بارلو، فرضیه کدگذاری کارآمد را ارائه کرد. Davide Zoccolan، مدیر آزمایشگاه علوم اعصاب بصری در Scuola توضیح می‌دهد: «طبق این نظریه، مغز ما می‌تواند اطلاعات حسی را با استفاده از یک کد عصبی که تعداد تکانه‌ها و در نتیجه انرژی لازم برای رمزگذاری و انتقال اطلاعات را به حداقل می‌رساند، به طور کارآمد نمایش دهد. اینترناسیونال برتر در مطالعات آوانساتی – SISSA. این امر به‌ویژه در سیستم بینایی اتفاق می‌افتد، زیرا تعداد نورون‌ها در نواحی عمیق‌تر قشر کاهش می‌یابد که ظرفیت بازنمایی را کاهش می‌دهد.»

بر اساس تئوری اطلاعات، که زیربنای فرضیه کدگذاری کارآمد است، یک سیستم حسی کارآمد باید ترجیحاً منابع محاسباتی را برای نشان دادن آن دسته از ویژگی‌های آماری محیط که اطلاعات بیشتری در مورد وضعیت آن دارند، تخصیص دهد. در مورد سیستم بصری، این به معنای رمزگذاری آموزنده ترین ویژگی های تصاویر طبیعی است که ما را احاطه کرده است.

ویجی بالاسوبرامانیان، متخصص علوم اعصاب محاسباتی در دانشگاه پنسیلوانیا، در دهه گذشته روی این موضوع کار کرده است: “ما هزاران تصویر از مناظر طبیعی را با تبدیل آنها به تصاویر دوتایی، متشکل از پیکسل های سیاه و سفید، و تجزیه آنها تجزیه و تحلیل کردیم. این محقق می‌گوید: به بافت‌های مختلف که توسط آمارهای خاص تعریف شده‌اند. ما متوجه شدیم که انواع مختلف بافت‌ها دارای تنوع‌های متفاوتی در طبیعت هستند و سوژه‌های انسانی در تشخیص آن‌هایی که بیشترین تفاوت را دارند بهتر است. گویی مغز ما منابع را به جایی اختصاص می‌دهد که بیشتر ضروری است.»

تا به حال هیچ مدرکی وجود نداشت که ادراک کارآمد مشابهی از بافت های بصری در گونه های دیگر رخ دهد. در یک مطالعه جدید، منتشر شده در eLifeتیم Zoccolan و Balasubramanian ثابت کرده اند که این اثر در جوندگان رخ می دهد.

ریکاردو کاراملینو، نویسنده اول این مطالعه، همراه با آندریا بوچلاتو و آنا کاربونچینو، به حیوانات آموزش دادند تا تصاویر دوتایی ساخته شده از پیکسل های سیاه و سفید تصادفی را از بافت های ایجاد شده بر اساس معیارهای احتمالی خاص، که قبلاً با سوژه های انسانی انجام شده بود، متمایز کنند. آنها سپس نتایج را با استفاده از یک مدل ریاضی «ناظر ایده آل» که توسط Eugenio Piasini، نویسنده اول مقاله توسعه داده شده بود، تجزیه و تحلیل کردند. دانشمندان مشاهده کردند که جوندگان، مانند انسان، نسبت به بافت هایی که در طبیعت بیشترین تفاوت را دارند، بیشترین حساسیت را دارند.

“ما در جوندگان، الگویی از حساسیت ادراکی برای بافت های بصری یافته ایم که با کدگذاری کارآمد سازگار است و با وجود فاصله فیلوژنتیکی بین این گونه ها، مشابه همان چیزی است که قبلا در انسان مشاهده شده بود. این نتیجه نشان می دهد که کدگذاری بافت کارآمد ممکن است یک اصل جهانی در بینش باشد،” Zoccolan اظهار می کند. “به نظر می رسد سیستم بصری از طریق نوعی نوردهی غیرفعال با محیط اطراف سازگار می شود، و در تشخیص سیگنال هایی که اطلاعات بیشتری دارند، تخصصی می شود، بنابراین امکان صرفه جویی قابل توجهی در منابع محاسباتی و انرژی فراهم می کند. مطالعه ما راه را برای رویکردهای تجربی جدید هموار می کند. مکانیسم‌های عصبی پشت این فرآیند بنیادی را بررسی کنید. همچنین روش‌های جدیدی را برای آموزش سیستم‌های بینایی مصنوعی بر اساس همان اصل پیشنهاد می‌کند.”