Ερευνητές Σκοπεύουν να Βελτιώσουν τα Συστήματα AI με Νέους Τύπους “Εγκεφαλικών Κυττάρων”

Μια ομάδα ερευνητών με έδρα το MIT επιδιώκει να βελτιώσει την απόδοση των νευρωνικών δικτύων συνδυάζοντάς τα με δομές που βασίζονται σε άλλα είδη κυττάρων στον εγκέφαλο. Η ερευνητική ομάδα θα ενσωματώνει δομές που βασίζονται σε αστροκύτταρα σε νευρωνικά δίκτυα, με στόχο να επιτρέψουν στα νευρωνικά δίκτυα να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζουν τα σήματα τους σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες.

Τα βαθιά νευρωνικά δίκτυα εμπνέονται από τα νευρωνικά δίκτυα του ανθρώπινου εγκεφάλου. Οι αλγόριθμοι ενίσχυσης μάθησης μαθαίνουν από τις αποτυχίες και τις επιτυχίες τους με την πάροδο του χρόνου, επιτρέποντάς τους να κατακτήσουν σύνθετα προβλήματα όπως τα παιχνίδια Σκάκι και Γκο. Ωστόσο, τα βαθιά νευρωνικά δίκτυα έχουν δυσκολίες όταν αντιμετωπίζουν κοινά προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι άνθρωποι. Κάθε κατάσταση που απαιτεί γενικές γνώσεις που δεν έχουν αποκτηθεί στο τρέχον τομέα ή περιβάλλον είναι δύσκολο για τα βαθιά νευρωνικά δίκτυα να αντιμετωπίσουν.

Σύμφωνα με το Ινστιτούτο Picower του MIT, η ερευνητική ομάδα επιδιώκει να κάνει τα βαθιά νευρωνικά δίκτυα πιο ανθεκτικά, ποικίλα και αξιόπιστα προσθέτοντας einen τύπο δομής που βασίζεται σε αστροκύτταρα στο νευρωνικό δίκτυο.

Όπως εξήγησε ο καθηγητής Νευροεπιστημών στο MIT, Mriganak Sur, η έμφαση στα νευρικά κύτταρα οδήγησε στην παραμέληση άλλων τύπων εγκεφαλικών κυττάρων, τα οποία διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον εγκέφαλο. Ο Sur εξήγησε ότι ακόμη και τα πιο προηγμένα βαθιά νευρωνικά δίκτυα possono να δυσκολευτούν να λάβουν υπόψη και να μάθουν από παράγοντες σε ένα περιβάλλον όταν οι κανόνες/παράμετροι δεν αλλάζουν ή ο χρόνος είναι άσχετος. Σε τέτοιες συνθήκες, ένα νευρωνικό δίκτυο μπορεί να δυσκολευτεί να διατηρεί επιτυχημένες στρατηγικές με την πάροδο του χρόνου, να ισορροπεί το εμπόριο/εξερεύνηση και να εφαρμόζει ό,τι έχει μάθει σε παρόμοιες εργασίες σε διαφορετικό περιβάλλον.

Σύμφωνα με τον Sur, πρόσφατες ενδείξεις δείχνουν ότι τα αστροκύτταρα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ενεργοποίηση του εγκεφάλου να εκτελεί τις παραπάνω εργασίες, χάρη στην ικανότητά τους να λειτουργούν ως παράλληλο δίκτυο που λειτουργεί παράλληλα με τα νευρικά κύτταρα. Η εισαγωγή αστροκυττάρων σε ένα νευρωνικό δίκτυο θα επέτρεπε στο AI να ενσωματώνει πληροφορίες που συλλέγονται σε μακρά χρονική κλίμακα, να αναγνωρίζει παρόμοιες καταστάσεις και να επαναχρησιμοποιεί αποκτημένες ικανότητες, και να ρυθμίζει τις συνάψεις μεταξύ νευρώνων. Τα αστροκύτταρα οδηγούν τα νευρικά κύτταρα στον προμετωπιαίο φλοιό του εγκεφάλου να εξερευνούν σενάρια και να βοηθούν τα κύτταρα στο στριάτο να εκμεταλλεύονται καταστάσεις, και τα δύο διαχειριζόμενα μέσω χημικών νευροδιαβιβαστών.

Σύμφωνα με τον Sur, πρόσφατες ενδείξεις δείχνουν ότι τα αστροκύτταρα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ενεργοποίηση του εγκεφάλου να εκτελεί τις παραπάνω εργασίες, χάρη στην ικανότητά τους να λειτουργούν ως παράλληλο δίκτυο που λειτουργεί παράλληλα με τα νευρικά κύτταρα. Η εισαγωγή αστροκυττάρων σε ένα νευρωνικό δίκτυο θα επέτρεπε στο AI να ενσωματώνει πληροφορίες που συλλέγονται σε μακρά χρονική κλίμακα, να αναγνωρίζει παρόμοιες καταστάσεις και να επαναχρησιμοποιεί αποκτημένες ικανότητες, και να ρυθμίζει τις συνάψεις μεταξύ νευρώνων. Τα αστροκύτταρα οδηγούν τα νευρικά κύτταρα στον προμετωπιαίο φλοιό του εγκεφάλου να εξερευνούν σενάρια και να βοηθούν τα κύτταρα στο στριάτο να εκμεταλλεύονται καταστάσεις, και τα δύο διαχειριζόμενα μέσω χημικών νευροδιαβιβαστών.

Η ερευνητική ομάδα θα διερευνήσει πώς τα αστροκύτταρα μπορούν να ενισχύσουν τα βαθιά νευρωνικά δίκτυα μέσω μιας σειράς πειραμάτων, τα οποία θα διεξαχθούν από διαφορετικούς ειδικούς. Τα πειραματικά αποτελέσματα θα χρησιμοποιηθούν για να βελτιώσουν τη θεωρία που κατέχει η ερευνητική ομάδα. Οι ερευνητές θα συλλέξουν δεδομένα από απλά πειράματα σε ποντίκια και ανθρώπους και θα παρακολουθήσουν πώς οι αλλαγές στις εγκεφαλικές περιοχές, τα αστροκύτταρα και οι νευροδιαβιβαστές επηρεάζουν την απόδοση.

Τελικά, οι Alfonso Araque και Sur θα παρακολουθήσουν ποντίκια για να δουν πώς τα αστροκύτταρα λειτουργούν ενώ μαθαίνουν. Θα χειριστούν επίσης τα αστροκύτταρα για να δουν πώς επηρεάζει τη διαδικασία της ενίσχυσης μάθησης.

Όπως εξήγησε η ομάδα στην πρότασή τους:

“Η κεντρική μας υπόθεση είναι ότι η αλληλεπίδραση των αστροκυττάρων με τα νευρικά κύτταρα και τους νευροδιαβιβαστές είναι η πηγή της υπολογιστικής ικανότητας που επιτρέπει στον εγκέφαλο να εκτελεί φυσικά την μάθηση ανταμοιβής και να υπερνικά πολλά προβλήματα που σχετίζονται με τα σύγχρονα συστήματα ενίσχυσης μάθησης (RL).”