Studie der Princeton University zeigt: Gehirn ist flexibler als KI

Trotz der rasanten Fortschritte der künstlichen Intelligenz in den vergangenen Jahren ist das menschliche Gehirn Computern beim Übertragen von Fähigkeiten und beim Lernen über verschiedene Aufgaben hinweg weiterhin überlegen. Eine neue Studie liefert Hinweise darauf, wie uns das vermutlich gelingt.

Ein Team der Princeton University führte die Untersuchung nicht direkt mit Menschen durch, sondern mit Tieren, die uns hinsichtlich Biologie und Gehirnfunktion sehr ähnlich sind: Rhesusaffen (Macaca mulatta).

Die Affen sollten auf einem Bildschirm Formen und Farben erkennen und ihre Antworten durch Blicke in bestimmte Richtungen geben. Parallel dazu untersuchten Hirnscans, ob sich bei den Tieren überlappende Muster und gemeinsame Aktivitätsbereiche zeigten.

Kognitive Legosteine im Gehirn der Rhesusaffen

Die Aufnahmen zeigten, dass die Affengehirne bei unterschiedlichen Aufgaben verschiedene Gruppen von Neuronen einsetzen – nach Darstellung der Forschenden „kognitive Legosteine“. Bereits vorhandene Bausteine lassen sich für neue Aufgaben umfunktionieren und neu kombinieren. Das weist auf eine neuronale Flexibilität hin, mit der selbst die besten KI-Modelle nicht mithalten können.

„Hochmoderne KI-Modelle können bei einzelnen Aufgaben menschliche oder sogar übermenschliche Leistungen erreichen“, sagt der Neurowissenschaftler Tim Buschman von der Princeton University. „Doch sie haben Schwierigkeiten, viele verschiedene Aufgaben zu erlernen und auszuführen.“

„Wir haben festgestellt, dass das Gehirn flexibel ist, weil es Bestandteile der Kognition bei vielen unterschiedlichen Aufgaben wiederverwenden kann. Indem es diese ‚kognitiven Legosteine‘ zusammensetzt, kann das Gehirn neue Aufgaben aufbauen.“

Wie im untenstehenden Video zu sehen ist, mussten die Tiere Formen und Farben in drei getrennten, aber miteinander verbundenen Aufgaben unterscheiden. Dabei mussten sie fortlaufend lernen und Kenntnisse aus einer Aufgabe auf die nächste anwenden.

Präfrontaler Kortex ermöglicht flexible Aufgabenwechsel

Die von den Forschenden identifizierten kognitiven Legosteine konzentrierten sich im präfrontalen Kortex. Diese Hirnregion wird mit höheren kognitiven Fähigkeiten verknüpft – darunter Problemlösen, Planen und Entscheiden – und scheint für kognitive Flexibilität von zentraler Bedeutung zu sein.

Zudem stellten die Forschenden fest, dass die Aktivität bestimmter kognitiver Bausteine abnahm, wenn sie nicht benötigt wurden. Das deutet darauf hin, dass das Gehirn neuronale Legosteine, die es nicht unmittelbar braucht, beiseitelegen kann, um sich besser auf die aktuelle Aufgabe zu konzentrieren.

„Ich stelle mir einen kognitiven Baustein wie eine Funktion in einem Computerprogramm vor“, sagt Buschman.

„Eine Gruppe von Neuronen könnte Farben unterscheiden, und ihr Ausgangssignal kann einer anderen Funktion zugeordnet werden, die eine Handlung auslöst. Diese Organisation ermöglicht es dem Gehirn, eine Aufgabe zu bewältigen, indem es nacheinander jeden einzelnen Bestandteil dieser Aufgabe ausführt.“

Das erklärt, wie Affen und möglicherweise auch Menschen sich auf bisher unbekannte Herausforderungen und Aufgaben einstellen und vorhandenes Wissen zu deren Bewältigung nutzen können – etwas, womit künstliche Intelligenz in ihrer derzeitigen Form Schwierigkeiten hat.

Erkenntnisse für künstliche Intelligenz und Medizin

Langfristig könnten die Ergebnisse nach Einschätzung der Forschenden dazu beitragen, KIs anpassungsfähiger für neue Aufgaben zu trainieren. Ihre Arbeit könnte außerdem bei der Entwicklung von Behandlungen für neurologische und psychiatrische Erkrankungen helfen, bei denen Menschen Schwierigkeiten haben, Fähigkeiten auf neue Situationen zu übertragen.

Vorerst zeigen diese kognitiven Legosteine auf grundlegender Ebene, weshalb unsere Gehirne flexibler und anpassungsfähiger sind als KI-Modelle. Letztere weisen das sogenannte katastrophale Vergessen auf: eine Schwäche, durch die neuronale Netzwerke keine aufeinanderfolgenden Aufgaben lernen können, ohne zu vergessen, wie sie die zuvor trainierte Aufgabe ausführen.

Häufiges Wechseln zwischen Aufgaben ist für unser Gehirn zwar nicht gerade ideal, doch Wissen von einer Aufgabe auf eine andere zu übertragen, kann eine nützliche Abkürzung sein.

„Wenn das Gehirn, wie unsere Ergebnisse nahelegen, Repräsentationen und Berechnungen aufgabenübergreifend wiederverwenden kann, könnte dies eine schnelle Anpassung an Veränderungen in der Umgebung ermöglichen – entweder indem die passende Aufgabenrepräsentation durch Rückmeldungen in Form von Belohnungen erlernt oder aus dem Langzeitgedächtnis abgerufen wird“, schliessen die Forschenden.

Die Studie wurde in Nature veröffentlicht.