Intelligent systems distribute memory across internal and embodied resources
تُظهر هذه الدراسة أن كلاً من الرئيسيات والوكلاء الاصطناعيين يوزعون الذاكرة عبر موارد داخلية ومجسدة من خلال استخدام حركات العين للحفاظ على المعتقدات حول الأهداف الخفية عندما تكون الحوسبة الداخلية مقيدة، مما يكشف عن مبدأ تقاربي حيث يتم تحديد تخصيص الذاكرة بناءً على الموثوقية النسبية لهذه الموارد.
المؤلفون الأصليون:Zhang, R., Pitkow, X., Angelaki, D.
غالبًا ما يُتخيل الذكاء على أنه شأن داخلي بحت، محادثة صامتة تحدث بالكامل داخل المادة الرمادية في الدماغ. نحن نميل إلى اعتبار الجسد مجرد وسيلة للعقل، مجموعة من الأطراف التي تنفذ ببساطة الأوامر الصادرة عن الدوائر العصبية. ومع ذلك، يشير مجال متنامٍ من الفكر إلى أن العقل والجسد لا يمكن فصلهما بهذه السهولة. هذا المنظور، المعروف باسم "الإدراك المتجسد"، يقترح أن أفعالنا الجسدية وتفاعلاتنا مع العالم ليست مجرد نتائج للتفكير، بل هي في الواقع جزء من عملية التفكير نفسها. تمامًا كما قد يستخدم شخص ما أصابعه للعد لحل مسألة رياضية، مستخدمًا اليد لتخفيف العبء الذهني، قد تعمل حالات جسدية أخرى كأدوات لمساعدة الدماغ على التذكر والحساب. والسؤال الذي حير العلماء لفترة طويلة ليس فقط ما إذا كان الجسد يساعد، بل كيف يقرر الدماغ متى يستخدم ذاكرته الداخلية ومتى يعتمد على الجسد للقيام بالعمل الشاق.
تستكشف دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعة كارنيجي ميلون وجامعة نيويورك هذه المقايضة من خلال مراقبة كيفية تنقل كل من القردة ووكلاء الذكاء الاصطناعي في عالم افتراضي للعثور على هدف مخفي. وضع العلماء مهمة حيث ظهر هدف، مثل دائرة مضيئة، لفترة وجيزة على الشاشة ثم اختفى. كان على الخاضعين للتجربة تذكر مكانه وتوجيه عصا التحكم للتوقف عند تلك النقطة بالضبط، كل ذلك أثناء التحرك عبر مشهد افتراضي خالٍ من المعالم لا توجد فيه علامات إرشادية لتوجيههم. وللنجاح، كان على الدماغ الحفاظ على تقدير مستمر ومتجدد لموقع الهدف. راقب الباحثون بدقة ليروا ما إذا كان الخاضعون للتجربة سيستخدمون أعينهم للمساعدة في حفظ تلك الذاكرة. ووجدوا أن كل من القردة والوكلاء الحاسوبيين بدأوا تلقائيًا في تتبع الهدف غير المرئي بنظراتهم، محركين أعينهم كما لو كان الهدف لا يزال موجودًا، رغم أنهم لم يتلقوا أي مكافأة مقابل القيام بذلك. لم يكن هذا السلوك عشوائيًا؛ فقد تطابق اتجاه نظرهم بدقة مع تقديرهم الداخلي لمكان الهدف، مما يشير إلى أن العين كانت تعمل كامتداد مادي للذاكرة.
سأل الباحثون بعد ذلك ما الذي دفع هذا السلوك. اشتبهوا في أن الدماغ قد يلجأ إلى الجسد للمساعدة فقط عندما تكون ذاكرته الداخلية متعثرة أو غير موثوقة. ولاختبار ذلك، أنشأوا وكلاء اصطناعيين بمستويات مختلفة من سعة الذاكرة الداخلية. امتلك بعض الوكلاء ذاكرة داخلية قوية وواضحة، بينما مُنح آخرون ذاكرة "مشوشة" أو غير موثوقة، مما جعل من الصعب عليهم الاحتفاظ بموقع الهدف في أذهانهم. كانت النتائج مذهلة: الوكلاء ذوو الذاكرة الداخلية المثالية بالكاد حركوا أعينهم لتتبع الهدف. ولكن مع زيادة خلل الذاكرة الداخلية، اعتمد الوكلاء بشكل متزايد على أعينهم، مستخدمين حركات العين للتعويض عن الضعف في معالجتهم الداخلية. وعندما أجبر الباحثون هؤلاء الوكلاء على إبقاء أعينهم ثابتة، انخفض أداؤهم في التنقل بشكل كبير، مما أثبت أن حركات العين كانت تقوم بعمل حسابي حقيقي. يشير هذا إلى أن النظام ليس ثابتًا؛ بل هو يوزع المهمة ديناميكيًا بين الدماغ والجسد بناءً على أي الموارد أكثر موثوقية في تلك اللحظة.
ولرؤية ما إذا كان هذا المبدأ ينطبق على الأدمغة الحقيقية، نظر الفريق في تسجيلات من القشرة الجدارية لقرود المكاك، وهي منطقة في الدماغ معروفة بمعالجة المعلومات المكانية. حللوا كيف تمثل الخلايا العصبية موقع الهدف المخفي. ووجدوا أن استراتيجية الدماغ طابقت التوقعات من النماذج الحاسوبية. فعندما جعلت هندسة المهمة تتبع الهدف أفقيًا بالعين أسهل، اعتمد الدماغ أكثر على العين للحصول على تلك المعلومة، وأظهرت الخلايا العصبية تمثيلًا مستقلًا أضعف للهدف. وعلى العكس من ذلك، بالنسبة للتتبع العمودي، حيث كانت حركة العين أقل دقة، اعتمد الدماغ أكثر على حالاته العصبية الداخلية. يشير هذا إلى أن الدماغ لا يقوم ببساطة بتخزين المعلومات في مكان واحد؛ بل يوزع الذاكرة عبر الحالات العصبية الداخلية والحالات الجسدية الخارجية، موازنًا الحمل باستمرار لضمان النتيجة الأكثر دقة.
تكشف الدراسة عن قاعدة أساسية للذكاء: الذاكرة ليست محصورة في الدماغ، بل تتوزع عبر أي موارد متاحة وأكثر موثوقية. سواء كان ذلك في رئيسي يتنقل في غابة افتراضية أو برنامج حاسوبي يتعلم الحركة، فإن النظام يقرر تلقائيًا مكان تخزين المعلومات بناءً على الموثوقية. إذا كانت الذاكرة الداخلية مهتزة، يقوم النظام بنقل المهمة إلى الجسد. وإذا كان الجسد غير موثوق، يعتمد النظام أكثر على الدماغ. يتحدى هذا الاكتشاف الرؤية التقليدية التي تفصل العقل عن الجسد، وتظهر بدلاً من ذلك كيف ينبثق السلوك الذكي من شراكة مرنة بين الاثنين، حيث لا يكون الجسد مجرد جهاز إخراج، بل مكونًا نشطًا وجوهريًا لذاكرة العقل.
ملخص تقني: الأنظمة الذكية توزع الذاكرة عبر الموارد الداخلية والمجسدة
بيان المشكلة تعمل الأنظمة الذكية من خلال تفاعل بين الحوسبة العصبية الداخلية والأفعال الجسدية، ومع ذلك غالباً ما يتم التعامل مع هذه العناصر بشكل غير متماثل: حيث تُنسب الذاكرة إلى الحالات الداخلية، بينما تُعتبر الحركات الجسدية مجرد مخرجات. وتكون الحوسبة الداخلية بطبيعتها محدودة بسبب الضجيج، وقيود السعة، والتكاليف الأيضية. وبينما تشير نظريات الإدراك المجسد إلى أن الأفعال يمكن أن تشارك مباشرة في الحوسبة (مثل "تفريغ" الذاكرة في البيئة)، إلا أنه لا يزال من غير الواضح ما الذي يحدد كيفية توزيع المعلومات بين الموارد الداخلية والمجسدة. وبشكل محدد، يستقصي المؤلفون ما إذا كانت موثوقية الموارد هي التي تحكم هذا التوزيع، بافتراض أن الأنظمة تستخدم الموارد المجسدة (مثل حركات العين) للحفاظ على المعلومات ذات الصلة بالمهمة عندما تصبح الموارد الداخلية أقل موثوقية.
المنهجية تستخدم الدراسة نهجاً متقارباً يجمع بين علوم الأعصاب السلوكية لدى الرئيسيات والتعلم التعزيزي (RL) في الوكلاء الاصطناعيين.
تصميم المهمة: أدى كل من قرود المكاك والوكلاء الاصطناعيين مهمة ملاحة موجهة بالذاكرة في بيئة افتراضية. عُرض الهدف لمدة 0.3 ثانية ثم اختفى. كان على الخاضعين للمهمة التنقل إلى موقع الهدف المخفي باستخدام عصا التحكم (التنقل) مع حرية تحريك أعينهم. لم تحتوي البيئة على أي معالم، مما تطلب تقديراً داخلياً مستمراً للهدف.
الوكلاء الاصطناعيون: تم تنفيذ الوكلاء كشبكات "الممثل-الناقد" المتكررة (باستخدام خوارزمية التحسين السياساتي القريب - PPO). تضمن الهيكل وحدة "بوابة متكررة" (GRU) للتكامل الزمني. ومن الأهمية بمكان أن الوكلاء تم تدريبهم للتحكم في كل من أفعال التنقل (عصا التحكم) وأفعال حركة العين بشكل مستقل.
التلاعب بالموارد: لاختبار فرضية أن الموثوقية هي التي تقود التخصيص، قام المؤلفون بالتلاعب بشكل منهجي بموثوقية الموارد الداخلية والمجسدة في الوكلاء:
الذاكرة الداخلية: تم حقن ضجيج غاوسي (Gaussian noise) في الحالة المتكررة للممثل، مما أدى إلى إضعاف موثوقية الذاكرة الداخلية.
المورد المجسد (حركة العين): تم تغيير الحد الأدنى للانحراف المعياري لتوزيعات الفعل العيني للتحكم في دقة حركات العين.
تقييد حركة العين: في كل من الوكلاء والبشر (باستخدام بيانات من دراسة سابقة)، تم تجميد حركة العين بعد اختفاء الهدف لاختبار الضرورة الوظيفية لحركات العين.
التحليل العصبي: في قرود المكاك، تم تسجيل النشاط العصبي من القشرة الجدارية الخلفية (PPC). قام المؤلفون بفك تشفير موقع الهدف من النشاط العصبي ثم أزالوا التباين المرتبط بحركة العين لقياس "التمثيل الداخلي المستقل عن حركة العين".
المقاييس: تم قياس الأداء من خلال دقة الملاحة (المسافة الإقليدية إلى الهدف). وتم تحديد تخصيص المعلومات من خلال فك تشفير موقع الهدف من حركة العين مقابل الحالات الداخلية (النشاط المتكرر أو معدلات إطلاق الخلايا في الـ PPC) وقياس فقدان القدرة على فك التشفير عند إزالة التباين المرتبط بحركة العين.
المساهمات الرئيسية والنتائج
تقارب سلوك حركة العين: طور كل من الرئيسيات والوكلاء الاصطناعيين تلقائياً حركات عين مهيكلة تتبعت الهدف المخفي بعد اختفائه، رغم عدم تلقيهم أي مكافأة صريحة لسلوك حركة العين. يشير هذا إلى استراتيجية متقاربة حيث تحمل حركة العين معلومات حول الهدف المخفي.
حركة العين كذاكرة مجسدة: تنبأت التباينات الطبيعية في حركة العين بالتباين في أخطاء الملاحة من تجربة لأخرى. وقد أدى تقييد حركة العين إلى إضعاف أداء الملاحة في كل من الوكلاء والبشر، مما يؤكد أن حركة العين تساهم بمعلومات ذات صلة سلوكية بالتقدير الخاص بالهدف المخفي.
القيود على الموارد تقود التعهيد الخارجي: في الوكلاء الاصطناعيين، ظهر الاعتماد على حركة العين تحديداً عندما كانت الذاكرة الداخلية مقيدة. ومع زيادة الضجيج في الحالة المتكررة، زادت تكلفة تقييد حركة العين بشكل ملحو-ظ. فالوكلاء الذين لديهم ذاكرة داخلية مقيدة ولكن تحكم عيني موثوق ("مفضل للمجسد") اعتمدوا بشدة على حركة العين، بينما الوكلاء الذين لديهم ذاكرة داخلية موثوقة ولكن تحكم عيني ضجيجي ("مفضل للداخل") اعتمدوا بشكل أقل على حركة العين.
التأثير السببي للحالة العينية: أدى اضطراب حركة العين في الوكلاء "المفضلين للمجسد" إلى حدوث أخطاء متدرجة تعتمد على الاتجاه في موقع التوقف النهائي، مما أثبت وجود رابط سببي بين حالة العين والاعتقاد الداخلي بالهدف المخفي.
التخصيص المحكوم بالموثوقية: عبر مشهد يتكون من 64 تكويناً للموارد (تتفاوت في الضجيج الداخلي والمجسد)، زادت كمية معلومات الهدف التي تحتفظ بها حركة العين مع زيادة موثوقية المورد المجسد، بينما انخفضت المعلومات الداخلية المستقلة عن حركة العين. كما تتبع فقدان القدرة على فك تشفير الهدف من الشبكة المتكررة بعد إزالة التباين المرتبط بحركة العين بدقة مع المكسب في القدرة على فك التشفير من حركة العين.
التنبؤ بالتنظيم العصبي: تنبأ نفس مبدأ تخصيص الموارد بتنظيم معلومات الهدف في القشرة الجدارية الخلفية (PPC) لدى المكاك. ونظراً لهندسة المهمة، تعد حركة العين الأفقية مورداً أكثر موثوقية لتقدير الموقع الأفقي للهدف مقارنة بحركة العين الرأسية للموقع الرأسي. وتماشياً مع نموذج الوكيل، كانت المعلومات الأفقية للهدف تُحمل بقوة أكبر بواسطة حركة العين، وأدى إزالة التباين المرتبط بحركة العين من نشاط الـ PPC إلى فقدان أكبر في القدرة على فك تشفير الهدف للبعد الأفقي مقارنة بالبعد الرأسي.
الأهمية تحدد الورقة مبدأً متقارباً عبر الأنظمة الذكية البيولوجية والاصطناعية: يتم تخصيص الذاكرة عبر الموارد الداخلية والمجسدة وفقاً لموثوقيتها.
يجادل المؤلفون بأن القيود الحسابية لا تكتفي بمجرد تحديد الأداء، بل تشكل الاستراتيجية الحسابية نفسها. فعندما تكون الموارد الداخلية ضوضائية أو محدودة، تقوم الأنظمة بطبيعتها بتعهيد الذاكرة إلى حالات مجسدة (مثل حركات العين) التي توفر معلومات أكثر موثوقية. وهذا يتحدى النظرة التي تعتبر الحركات الجسدية مجرد مخرجات للحوسبة، ويقترح بدلاً من ذلك أنها يمكن أن تعمل كموارد حسابية. علاوة على ذلك، تشير الدراسة إلى أن فهم التمثيلات العصبية يتطلب عدم تحليل ما إذا كانت المعلومات موجودة فحسب، بل كيف يتم توزيع تلك المعلومات عبر الموارد المتاحة (الداخلية مقابل المجسدة) بناءً على موثوقيتها. وهذا يوفر إطاراً لتفسير البيانات العصبية حيث يكون "تقسيم العمل" بين الدماغ والجسم ديناميكياً ومحسناً وفقاً للقيود المحددة للنظام والمهمة.