Бесцельное блуждание по городу или исследование нового торгового центра кажется бесполезным, но на самом деле это помогает мозгу в обучении — такими выводами поделились нейробиологи из Медицинского института Говарда Хьюза в журнале Nature.
В ходе экспериментов на мышах они обнаружили, что обучение может происходить даже без выполнения конкретных задач или целенаправленных действий. Когда животные исследуют окружающую среду, нейроны в зрительной коре кодируют визуальные образы, чтобы построить внутреннюю модель мира. В дальнейшем, когда возникает более конкретная задача, они ускоряют обучение.
«Даже когда вы витаете в облаках, просто гуляете или думаете, что ничего особенного не делаете, ваш мозг, скорее всего, все равно усердно работает, чтобы помочь вам запомнить, где вы находитесь, и систематизировать окружающий мир. Так что, когда вы снова сосредоточитесь и вам понадобится выполнить какую-то задачу, вы будете готовы действовать максимально эффективно», — объясняет Мариус Пачитариу, который занимается вычислительной нейронаукой в кампусе Janelia.
Учитель нужен не всегда
В экспериментах мыши бегали по виртуальным коридорам с различными визуальными текстурами, напоминающими реальную среду. Одни текстуры были связаны с наградой, другие — нет. По мере усвоения испытуемыми правил их слегка корректировали, меняя текстуры и вознаграждения.
Спустя недели таких экспериментов команда заметила изменения в нейронной активности зрительной коры животных. Однако объяснить наблюдаемую нейропластичность — изменения в связях между нейронами, которые обеспечивают обучение и память, — оказалось сложно.
«Чем больше мы об этом размышляли, тем чаще приходили к вопросу: а нужна ли вообще задача? — говорит Пачитариу. — Вполне возможно, что большая часть пластичности возникает просто в процессе самостоятельного исследования среды».
Гипотезу проверили — и оказалось, что определенные области зрительной коры действительно кодируют визуальные признаки даже в отсутствие конкретной задачи, а когда она появляется, активируются другие участки. Более того, выяснилось, что мыши, которые несколько недель исследовали виртуальный коридор, научились ассоциировать текстуры с наградой гораздо быстрее, чем те, которые тренировались только на задаче.
«Это означает, что учитель не всегда нужен: вы можете изучать окружающий мир бессознательно, и такое обучение подготовит вас к будущему. Я был очень удивлен. Я занимаюсь поведенческими экспериментами со времен аспирантуры и не ожидал, что без обучения мышей конкретной задаче можно обнаружить такую же нейропластичность», — признался нейробиолог Линь Чжун, руководивший экспериментами.
Разные механизмы познания
Новые данные показывают, что разные области зрительной коры отвечают за разные типы обучения: неструктурированное, основанное на исследовании без контроля, и целенаправленное, контролируемое обучение. Исследование предполагает, что при обучении задаче мозг может задействовать оба алгоритма одновременно: бесконтрольный компонент для извлечения признаков и контролируемый — для придания им значения.
Эти выводы улучшают понимание нейронных процессов в мозге, связанных с обучением. Если предыдущие исследования зрительной коры в основном фокусировались на контролируемом обучении, то теперь стали очевидными новые направления, включая взаимодействие разных типов обучения и интеграцию зрительной модели среды с пространственными моделями из других областей мозга.
«Это дверь к изучению алгоритмов бесконтрольного обучения в мозге. И если это основной способ, которым мозг усваивает информацию, в отличие от более направленного, целевого обучения, то нам нужно исследовать и эту часть», — заключил Пачитариу.