Cortico-subcortical multi-head self-attention as a substrate for cognitive performance

تخيل دماغك كأنه سوبر كمبيوتر فائق، لكنه يعمل بأنسجة حية لينة بدلاً من الرقائق السيليكونية. لفترة طويلة، حاول العلماء اكتشاف كيف تقوم هذه الآلة البيولوجية بإتقان خدعة "التفكير" — كيف نفهم اللغة، ونحل المشكلات، ونتذكر الأشياء. من ناحية، لدينا القشرة المخية الحديثة، وهي الطبقة الخارجية المجعدة من الدماغ التي تتولى مهام التفكير الراقي. ومن ناحية أخرى، لدينا هياكل قديمة وعميقة مثل المهاد والعقد القاعدية، والتي تعمل كأنها الأسلاك الداخلية ومنظمات المرور في الدماغ. مؤخراً، اشتهر نوع جديد من الذكاء الاصطناعي يسمى "المحولات" (Transformers) بقدرته على الدردشة، وكتابة القصص، وترجمة اللغات. تعمل أنظمة الذكاء الاصطناዊ هذه باستخدام خدعة ذكية تسمى "الانتباه" (Attention)، والتي تسمح لها بالتركيز على الأجزاء الأكثر أهمية في الجملة مع تجاهل الباقي. السؤال الكبير في العلم الآن هو: هل يمكن لأدمغتنا البيولوجية الفعلية أن تستخدم خدعة "انتباه" مماثلة للقيام بنفس الأشياء؟ إذا تمكنا من إيجاد المخطط البيولوجي لهذا، فسيساعدنا ذلك في فهم كيف أصبح الثدييات مثلنا أذكياء للغاية.

تشير هذه الورقة البحثية إلى أن الإجابة هي "ربما" قوية، حيث تقترح مخططاً بيولوجياً محدداً حيث يتعاون قشر الدماغ والمهاد لبناء نسخة طبيعية من شبكات الانتباه الخاصة بالذكاء الاصطناعي هذه. يقترح المؤلفون أن الدماغ لا يستقبل المعلومات بشكل سلبي فحسب؛ بل يدير نظاماً معقداً متعدد الطبقات حيث تعمل أجزاء مختلفة من الدماغ كمحرك بحث عالي التقنية. في هذا النموذج، تعمل القشرة المخية (طبقة التفكير) والمهاد (محطة ترحيل مركزية) معاً لإنشاء ما يسميه البحث "الانتباه الذاتي متعدد الرؤوس للقشرة وتحت القشرة" (cortico-subcortical multi-head self-attention).

إليك كيف يحدث السحر، وفقاً للدراسة. تخيل أن قشرة الدماغ مقسمة إلى أحياء صغيرة تسمى الأعمدة الدقيقة. في هذه النظرية، تعمل خلية هرمية محددة من النوع (الطبقة 2/3) مثل مكتبة ضخمة من الملاحظات اللاصقة. تحتفظ هذه الخلايا بـ "ذاكرة مفتاح-قيمة متكررة"، وهي مجرد طريقة منمقة للقول بأنها تخزن معلومات يمكن البحث عنها لاحقاً. بعد ذلك، يعمل نوع آخر من الخلايا، وهو الخلية الهرمية من الطبقة 5، كالمحقق. عندما تصل معلومة جديدة ("استعلام" أو Query)، يقوم هؤلاء المحققون بمسح المكتبة للعثور على الملاحظات اللاصقة المطابقة ("المفاتيح" و"القيم") ذات الصلة بالمهمة الحالية.

تقترح الورقة أن المهاد هو خدمة التوصيل الحاسمة التي تجعل هذا البحث ممكناً. فهو يرسل إشارات تعمل كـ "المفاتيح"، و"القيم"، و"الاستعلامات" اللازمة لتشغيل عملية البحث. تنتقل هذه الإشارات عبر مسارات محددة، بعضها يربط قلب المهاد بالقشرة وبعضها الآخر يربط مصفوفة المهاد بالقشرة. يقترح المؤلفون أن منطقة واحدة من القشرة تعمل مثل "رأس" واحد لشبكة الانتباه، وعند وضع كل هذه المناطق معاً، تصبح القشرة بأكملها "شبكة انتباه ذاتي متعددة الرؤوس"، تماماً مثل نماذج الذكاء الاصطناعي التي يمكنها كتابة الشعر أو البرمجة.

لكن الدماغ لا يكتفي بالقراءة فحسب؛ بل يتعلم أيضاً. تشير الورقة إلى أن هذه الدائرة الصغيرة نفسها تساعد الدماغ في معرفة متى يكون مخطئاً. فهي تحسب "أخطاء التنبؤ الحسي"، وهي ببساطة طريقة الدماغ لقول: "ظننت أنك ستقول (س)، لكنك قلت (ص)!". تساعد إشارة الخطأ هذه الدماغ على تحديث اتصالاته من خلال عملية تسمى "اللدونة المشبكية القائمة على التدرج"، وهي النسخة البيولوجية للتعلم من الأخطاء. علاوة على ذلك، يوجد في العقد القاعدية "حارس بوابة". يستخدم هذا الحارس "أخطاء التنبؤ بالمكافأة" (وهي إشارة تخبر الدماغ ما إذا كان الشيء جيداً أم سيئاً) ليقرر ما إذا كان سيسمح لمخرجات القشرة بالخروج إلى العالم أو إعادة تنشيط الذكريات من الحصين (الذي يعد بمثابة القرص الصلب للذاكن طويلة المدى في الدماغ).

اختبر المؤلفون هذه الفكرة عن طريق تدريب محاكاة حاسوبية لهذه الدائرة ومقارنة سلوكها ببيانات بشرية حقيقية. ووجدوا أنه عندما عالجت الشبكة المحاكية الكلام، توافقت أنماط نشاطها بشكل مدهش مع تسجيلات فعلية أُخذت من داخل أدمغة بشرية أثناء إدراك الكلام. وبينما لا تدعي الورقة أنها أثبتت أن هذا هو بالضبط كيف يعمل الدماغ في كل تفصيل، إلا أنها تشير بقوة إلى أن هذا الترتيب المحدد من الخلايا والاتصالات يمكن أن يكون الأساس المادي للقدرات المعرفية المذهلة التي تمتلكها الثدييات. إنها خريطة مقنعة تربط بين البيولوجية الرطبة والفوضوية لأدمغتنا وبين المنطق الأنيق والقوي للذكاء الاصطناعي الحديث.