Крысиные логика, ум и чуткость-1
Животные мыслят логически - к такому выводу пришла группа исследователей из разных стран, проведя серию остроумных экспериментов на крысах. Они обнаружили, что крысы способны выделить истинную причину события из ряда ассоциативно связанных явлений. Этот результат меняет наше представление о границах животного интеллекта, так как раньше ученые считали, что мышление животных построено на формировании сети ассоциативных связей, а не на понимании причин и следствий. Главным качественным отличием человеческого разума представлялось умение выделять причинно-следственные связи. Новые данные заставляют рассматривать разум и животного, и человека как смесь логического и ассоциативного, но только в разных пропорциях.
Еще в середине XX века Конрад Лоренц раскрыл многие механизмы животного мышления. Изучая ритуалы у животных и птиц, он описал формирование ассоциативных связей, на которых потом животное строит свое поведение. Если два события происходят одновременно, то у животного формируется связь между этими двумя стимулами, даже если они ничем, кроме хронологического совпадения, не связаны. Таким способом у животных может возникать внешне бессмысленный ритуал, оправданный, однако, случившимися когда-то яркими совпадениями.
Считается, что, в отличие от животного, человеческое мышление основано на формировании причинных связей, а не ассоциативных, то есть человек из множества совпадений способен выделить истинную причину события. Философы и психологи указывали именно на это свойство мышления как на главный барьер между человеческим и животным разумом. Группа исследователей из различных институтов и стран провела эксперимент, доказывающий отсутствие такого непроходимого барьера. Они показали способность животных видеть истинную причину событий.
У исследователей были 32 подопытные крысы, у которых они сформировали модельные ассоциации. Для этого крысам включали свет, а вслед за этим раздавался гудок. На следующем этапе обучения включали свет, а вслед за этим в кормушке появлялся сахарный сиропчик. Предполагалось, что у крыс должна появиться ассоциативная связь между звуком гудка и пищей даже без светового сигнала. Действительно, после подачи гудка крысы демонстрировали поисковое поведение - тыкались носом в кормушку.
На этой диаграмме количественно представлено пищевое поведение крыс - сколько раз крыса засунула нос в кормушку. Черные столбики - реакция крысы на звук, поданный экспериментатором, а серые - на собственное нажатие на звуковой рычаг. В первом эксперименте (модель ассоциативной связи) серые столбики ниже черных, значит крысы понимали, что, сколько на рычаг ни нажимай, кормушка останется пуста (слева). В случае с моделью логической связи столбики примерно одинаковы, значит источник звука значения не имел, главное, что он был причиной появления пищи (справа). Рис. из статьи в Science
Затем задачу усложнили, и крысам предоставили возможность самим заведовать звуком - в клетке появился специальный звуковой рычаг. И что же? Если крысы нажимали на звуковой рычаг самостоятельно, то после этого они не слишком интересовались, появился ли в кормушке сахарок, а если сигнал раздавался без их вмешательства, то их поисковое поведение активизировалось.
Вывод напрашивается сам собой: крысы мыслят не по ассоциации. Если бы работал ассоциативный путь звук-свет-пища, то крысам было бы все равно, каков источник звука. Они бы думали: «Где звук, там и свет (который мы могли и не заметить), где свет, там и пища» - и тыкались носом в кормушку. Но они оказались в состоянии понять, что звук, который они сами вызвали с помощью рычага, не был «следствием» света, так что сиропа не будет.
Более полное представление о формировании причинно-следственных связей дает второй эксперимент. На этот раз у крыс изначально тренировали восприятие цепочки из трех событий: сначала давали звук, затем включали свет, затем в кормушке появлялся сахар. То есть была сформирована модель причинной связи. Когда тренировка закончилась, крыс снова поместили в клетку со звуковым рычагом. Но на этот раз крысы одинаково активно начинали поиски пищи, и в ответ на звук, данный экспериментатором, и в ответ на самостоятельно индуцированный звук. По мнению исследователей, этот результат говорит о том, что в уже сформированной причинно-следственной модели источник причинного события не имеет значения. Звук в данном случае сам был «причиной» появления пищи, а не побочным эффектом, и крысы смогли в этом разобраться.
Такую модель принятия решений, как считают исследователи, никак нельзя интерпретировать с позиций ассоциативного мышления. Зато она укладывается в рамки байесовой логики. (Это понятие означает пошаговую проверку и корректировку исходных гипотез на базе оперативной информации, характерную для человеческого мышления, и лежит в основе конструирования искусственного интеллекта.)
Если ученым удастся подтвердить свои результаты в других экспериментах (в задачах на мышление главное - придумать адекватный сценарий опыта), то сапиенсы вынуждены будут пересмотреть вопрос о собственной интеллектуальной сущности. На сегодняшний день ученые и философы и без того затрудняются дать четкое определение разума, и причинно-следственная логика оставалась последним качественным бастионом разумного. Теперь и этот критерий перейдет с качественного уровня на количественный.
В разуме животных и человека намешано и логического и ассоциативного, и магического и ритуального, только, возможно, в разных пропорциях. Если, конечно, исключить ужасную версию, что крысы быстро эволюционируют в нового верховного властителя планеты и вскоре свергнут с интеллектуального пьедестала зарвавшегося Homo.
Источник: Aaron P. Blaisdell, Kosuke Sawa, Kenneth J. Leising, Michael R. Waldmann. Causal Reasoning in Rats // Science. 2006. V. 311.
http://elementy.ru/news/430136
Далее, английские психологи провели серию экспериментов и доказали, что крысы способны обобщить собственный жизненный опыт и вести себя в соответствии с выведенными из опыта правилами. Обычно модели поведения и обучения у животных предполагают непосредственные реакции на тот или иной стимул и выработку условных рефлексов. И только для человека и высших приматов свойственно выведение из опыта правил поведения для гипотетических обобщенных ситуаций. Оказывается, крысы тоже вырабатывают схемы поведения наряду с условными рефлексами.
Психологи Робин Мёрфи (Robin Murphy) и Эстер Мондрагон (Esther Mondragón) из Университетского колледжа в Лондоне, а также Виктория Мёрфи (Victoria Murphy) из Оксфордского университета исследовали способность крыс к выработке общих схем поведения. Сама по себе эта задача родилась из более конкретных вопросов лингвистического свойства.
Известно, что человек обучается языку, усваивая не только и не столько конкретные слова, сколько грамматические правила построения предложения. И уж потом нанизывает на усвоенные конструкции предложений слова и словосочетания. Такой принцип обучения - с помощью выведения правил из предшествующего опыта - свойственен человеку. Животным же (не считая высших приматов) и птицам не удается выучить человеческие грамматические правила. Потому ли, что животные не могут запоминать длинную череду звуковых сигналов, каковой с формальной точки зрения является речь? Или потому, что речь, по сути, является сводом общих правил, вывести которые животное не может?
На первый из этих вопросов авторы исследования ответили еще четыре года назад. Они показали, что крысы вырабатывают условные рефлексы на триады разночастотных звуков или на триады световых мпульсов, так что дело тут не в неспособности животных реагировать на череду сигналов. Так что ученые занялись поиском ответа на второй вопрос. Но сформулировали они этот вопрос несколько шире: могут ли вообще млекопитающие выводить общие правила и схемы поведения вместо закрепленных нервной системой безусловных и условных рефлексов?
Очевидно, что знать правило для решения однотипных задач предпочтительнее, чем выучить все задачи на данное правило. Человек и другие высшие приматы выводят правила поведения, ориентируясь на свой жизненный опыт: выведение общих правил - это необходимая составная часть их обучения. Считалось, что другие животные просто не способны к построению подобных абстрактных поведенческих схем. Но это мнение удалось опровергнуть несложными экспериментами на крысах.
Крыс обучили реагировать на триады звуков A-B-A и B-A-B, составленные из двух тонов разной частоты: A = 3,2 кГц, B = 9 кГц (то есть 3,2-9-3,2 кГц и 9-3,2-9 кГц). Эти звуковые серии сопровождались пищевым подкреплением, а другие серии - A-A-B, или B-B-A, или A-B-B, или B-A-A - не подкреплялись. Крыса, у которой условный сигнал сформировался, услышав нужную триаду, бежала к кормушке, не дожидаясь, пока кормушку наполнят. Крыса, которая не реагировала на сигнал, к кормушке не бежала, пока корм там не появится. Поэтому мерилом реакции крыс на сигнал служило то время, которое крыса проводила, засунув нос в кормушку до появления там пищи.
Ученые отметили, что две крысы так и не научились различать звуки и заранее бежать к кормушке, и этих двух исключили из экспериментальной группы (видно, и среди умных крыс встречаются олухи). Таким образом, экспериментальная группа обучилась различать две конкретные звуковые серии. Но что это - запоминание конкретных звуковых последовательностей или выработка правила «беги к кормушке, если средний звук отличается от крайних»? Чтобы понять это, экспериментальной группе крыс предъявили серии из звуков двух других частот: C = 12,5 кГц и D = 17,5 кГц - всего 6 триад. Из этих триад две 12,5-17,5-12,5 кГц и 17,5-12,5-17,5кГц соответствуют «правилу»: средний звук отличается от крайних (то есть C-D-C или D-C-D, что соответствует правилу точно так же, как A-B-A или B-A-B) - и четыре триады не соответствуют.
Крысы реагировали на новые звуки весьма осмысленно: правильные триады отличали от неправильных и бежали за пищей. Когда крысам снова включили звук с первоначальными частотами, то они снова оказались у кормушек, демонстрируя, что они эти частоты помнят и схема их поведения осталась в рабочем состоянии. Это означает, что крысы способны вывести обобщенную поведенческую схему и применять ее при встрече с незнакомыми стимулами.
Из экспериментов, подобных этому, всё больше становится понятно, что абстрактное мышление - это не специфически человеческая черта: к абстрактному мышлению в той или иной мере способны и другие млекопитающие.
Источник: Robin A. Murphy, Esther Mondragón, Victoria A. Murphy. Rule Learning by Rats // Science. 28 March 2008. V. 319. P. 1849-1851.
http://elementy.ru/news/430695
Далее, крысы способны адекватно оценивать правильность собственных решений, принятых в неоднозначной ситуации. Всем животным, включая людей, часто приходится принимать решения на основе неполных или неоднозначных исходных данных. Главная задача при этом - оптимальным образом обработать имеющуюся информацию, чтобы максимизировать шансы на успех. С этой задачей животные во многих ситуациях худо-бедно справляются. Но есть и другая сторона проблемы: часто оказывается весьма полезным умение адекватно оценить вероятность того, что принятое решение было правильным. Особенно это актуально в тех случаях, когда последствия совершенного поступка (например, награда или наказание) реализуются не сразу, а спустя какое-то время. От степени нашей уверенности в собственной правоте зависит, будем ли мы спокойно ждать награды или спешно искать способ избежать наказания.
До сих пор многие эксперты полагали, что для подобных оценок необходимо самосознание, которым обладает лишь человек, а в зачаточной форме, возможно, некоторые обезьяны. Действительно, казалось бы, как может существо, не обладающее самосознанием, не способное анализировать постфактум свои поступки и их мотивы, быть уверенным (или неуверенным) в том, что совершенный ранее поступок был правильным?
К счастью, современных нейробиологов и психологов-экспериментаторов подобными абстрактными рассуждениями не убедишь - им подавай конкретные факты и экспериментальные данные. Чтобы доподлинно узнать, способны ли животные, не относящиеся к отряду приматов, адекватно оценивать правильность собственных решений, команда ученых из четырех научно-исследовательских учреждений США и Португалии - Лаборатории Колд-Спринг-Харбор, Гарвардского университета, Алленовского института мозга и Научного института Гульбенкяна - поставила серию оригинальных экспериментов на крысах. Результаты этой работы, опубликованные в последнем номере журнала Nature, убедительно показали, что крысам в полной мере свойственна упомянутая способность.
Крыс научили выбирать одну из двух поилок в зависимости от того, запах какого из двух пахучих веществ - А или Б - преобладает в воздухе. В роли вещества А выступала капроновая кислота, в роли вещества Б - 1-гексанол. Если крысе давали понюхать смесь с соотношением A/Б > 50/50, крыса должна была выбрать левую поилку, при А/Б < 50/50 - правую. За правильный выбор крысу награждали (давали каплю воды). Награда, однако, появлялась не сразу - крысу заставляли ждать у выбранной поилки, мучаясь неопределенностью, от 0,3 до 2 секунд.
Меняя соотношение веществ А и Б в пахучей смеси, исследователи могли регулировать сложность задачи. Понятно, что чем ближе это соотношение к 50:50, тем труднее крысе сделать правильный выбор. Как и следовало ожидать, крысы ошибались тем чаще, чем сложнее была задача (см. нижний график на рис. 1).
Подопытным крысам вживили электроды в орбитофронтальную кору (ОФК) - участок головного мозга, отвечающий за принятие решений в спорных ситуациях. Регистрировалась активность индивидуальных нейронов в то время, пока крыса находилась у выбранной поилки в ожидании награды и еще не знала наверняка, права она или ошиблась.
Ученые обнаружили, что активность многих нейронов ОФК в этот волнительный для крысы период напрямую зависит от степени сложности только что решенной задачи. Значительная часть нейронов, активность которых удалось записать (120 из 563), генерировали более частые импульсы в том случае, если выбор был сложным. Несколько меньшее число нейронов (66 из 563), наоборот, работали активнее, если решенная задача была легкой.
Еще более интересные результаты были получены, когда ученые сопоставили активность отдельных нейронов не со сложностью, а с правильностью сделанного выбора. Напомним, что активность нейронов регистрировалась в тот период, когда награда еще не могла появиться, то есть крыса еще не знала наверняка, правильно ли она поступила. Как ни странно, оказалось, что многие нейроны это «знают» заранее. Значительная часть нейронов работала активнее в случае ошибочного решения; несколько меньшее их число генерировало более частые импульсы в случае правильного выбора. При помощи математического моделирования и сложных статистических тестов ученым удалось показать, что активность этих нейронов не зависит ни от того, как часто крыса ошибалась в предыдущих тестах, ни от иных «посторонних» факторов. Эта активность в точности отражает ту оценку правильности сделанного выбора, которую крыса в принципе может «вычислить» на основе своих знаний о характере запаха в данном тесте, об условиях задачи и о собственном только что принятом решении.
Таким образом, экспериментатор, наблюдающий за активностью нейронов ОФК в крысином мозгу и ничего не знающий ни о составе пахучей смеси, ни о том, какую поилку крыса выбрала, может довольно точно определить, правильное ли решение было принято крысой. Иными словами, в мозге крысы в период «ожидания» уже содержится вполне достоверная информация о том, насколько высока вероятность получения награды. Но способна ли крыса использовать эту информацию, извлечь из нее какую-то пользу для себя?
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые немного изменили дизайн эксперимента. Во-первых, время ожидания удлинили: теперь крыса после принятия решения должна была ждать награды от 2 до 8 секунд. В случае правильного решения каждый раз выбирался случайный интервал времени в пределах этого диапазона. В случае неправильного решения ровно через 8 секунд раздавался звуковой сигнал, означающий, что дальнейшее ожидание бессмысленно. Во-вторых, крысе предоставили возможность в любой момент прекратить ожидание и начать тест заново, то есть вернуться к источнику запаха, понюхать, а затем снова выбрать одну из двух поилок.
В этой ситуации умение оценивать вероятность правильности сделанного выбора перестало быть для крысы бесполезным, как в первой серии экспериментов. Если крыса уверена в своей правоте, ей выгодно ждать «до упора» - награда в конце концов обязательно появится. Если же крыса полагает, что скорее всего ошиблась, ей лучше не тратить зря время и поскорее начать всё заново.
Результаты этой серии экспериментов (рис. 2) убедительно показали, что крысы отлично умеют извлекать выгоду из результатов проведенной самооценки. Если задача была проста, а выбор был сделан неверно, крыса с большой вероятностью не будет ждать все 8 секунд, а начнет тест заново (крайние левый и правый участки красной кривой на графике). Крысы, сделавшие неправильный выбор, ждут терпеливее, если задача была сложной («а вдруг я угадала?»). На рисунке это обстоятельство отражается вогнутой средней частью красной кривой. Если задача была проста и выбор был сделан правильно, крыса вполне уверена в своей правоте и ждет до конца (крайние участки зеленой кривой). По мере того, как задача усложняется (%А приближается к 50), степень самоуверенности крыс, сделавших правильный выбор, снижается (зеленая кривая в середине выше, чем по краям). Добавим, что в ОФК изученных крыс было обнаружено большое число нейронов, активность которых подчиняется той же закономерности: если на рис. 2 по вертикальной оси вместо частоты досрочных уходов от поилки отложить активность этих нейронов, то обе кривые - и красная, и зеленая - будут иметь примерно такую же форму.
Таким образом, для того чтобы адекватно оценивать правильность собственных решений, вовсе не обязательно иметь огромный и сложный мозг и развитое самосознание, как у человека. С этой задачей неплохо справляются и грызуны. Авторы статьи предполагают, что алгоритм подобной самооценки, возможно, является неотъемлемой составной частью общего механизма принятия решений, «встроенного» в мозг высших животных.
Источник: Adam Kepecs, Naoshige Uchida, Hatim A. Zariwala, Zachary F. Mainen. Neural correlates, computation and behavioural impact of decision confidence // Nature. 2008. V. 455. P. 227-231.
http://elementy.ru/news/430832
Продолжение здесь