Больше вариативности помогает обучению

Финал чемпионата мира по футболу в самом разгаре, стадион заполнен до отказа, болельщики ревут, вспыхивают лампочки. Исполнитель штрафного удара готовится, разбегается и бьет. Он тысячу раз отрабатывал штрафные удары, но только на домашней тренировочной площадке, а не на переполненном и шумном футбольном стадионе с меняющимися условиями освещения и меняющимися позициями для удара. Удастся ли ему забить гол? Неврологи из Немецкого центра приматов (DPZ) – Института исследований приматов имени Лейбница и Европейского института нейронаук (ENI) в Геттингене хотели выяснить, как наша зрительная система решает проблему переменных стимулов для процессов обучения. Существуют ли стратегии на уровне нейронов, которые приводят к тому, что задача, тем не менее, всегда выполняется с одинаковой эффективностью?

Больше вариативности помогает обучению

В исследовании с участием людей было обнаружено, что многие переменные стимулы не обязательно усложняют процесс обучения, но даже могут привести к улучшению результатов в новых условиях. Это происходит благодаря процессу обобщения, контролируемому нейронами в высших областях зрительной системы. В этом процессе они обрабатывают только информацию, имеющую отношение к задаче, такую как удар по воротам. Они менее чувствительны к нерелевантным стимулам, таким как другие условия освещения или положение для удара. В результате задача может быть выполнена безопасно, даже если нерелевантные стимулы постоянно меняются. Для футболиста это означает, что переменные тренировочные ситуации полезны для процесса обучения (Current Biology).

Больше вариативности помогает обучению

Фундаментальная проблема восприятия заключается в том, чтобы отфильтровать релевантную информацию из изменчивой среды. Известно, что зрительная система достигает этого путем обучения тому, какая информация является постоянной. Например, мы всегда распознаем собаку как собаку, даже если наша точка зрения меняется или на ней надета собачья куртка. Этот процесс обобщения улучшает восприятие и называется перцептивным обучением. Как огромная изменчивость окружающей среды влияет на этот процесс обучения, до сих пор было неясно.

Больше вариативности помогает обучению

«В нашем исследовании мы хотели выяснить, как зрительная система справляется с проблемой изменчивости и при этом достигает высокой эффективности обучения», – сказал Джорджио Маненти, ведущий автор исследования. «Ранее предполагалось, что изменчивые стимулы в первую очередь влияют на визуальное обучение. Однако эта изменчивость может быть и большим преимуществом для обучения, поскольку она может облегчить генерализацию, применение выученного поведения к новым стимулам. Это еще не было показано для обучения зрительному восприятию».

Больше вариативности помогает обучению

Исследователи основывали свое исследование на двух гипотезах. В стратегии обобщения обучение опирается на нейроны, которые игнорируют несущественные стимулы. Так, в примере со штрафным ударом, они обрабатывают только информацию об ударе по воротам, но не о различных углах удара или расстояниях до ворот. Эти нейроны обычно находятся на более высоких ступенях сенсорной обработки. При стратегии специализации обучение происходит с помощью нейронов, которые настроены как на релевантные, так и на нерелевантные признаки. Эти нейроны могут предоставлять высокоточную информацию для решения поставленной задачи. При этом они обрабатывают каждый фрагмент информации отдельно. В результате выполнение задачи является очень точным, но обобщения не происходит, и для каждой новой задачи требуются новые, ранее не тренированные нейроны для обработки стимулов. Специализированные нейроны расположены на ранних этапах сенсорной обработки.

Больше вариативности помогает обучению

В этом исследовании четыре группы испытуемых были обучены определять небольшие различия в ориентации рисунка линии. Соответствующая задача заключалась в определении наклона линий по или против часовой стрелки. Для каждой из двух групп в ходе эксперимента менялось количество линий. Это был нерелевантный стимул.

Больше вариативности помогает обучению

«Мы обнаружили, что изменение количества линий во время обучения привело к лучшему обобщению фактического выполнения задачи», – объясняет Джорджио Маненти. «Испытуемые были способны распознавать различия в ориентации рисунка линий даже при изменении их количества. Они были способны выполнить задание, даже когда им показывали совершенно новые узоры линий или новую позицию на экране, которая не появлялась во время обучения. Таким образом, увеличение вариабельности не привело к ухудшению процесса обучения, а наоборот, обобщило и даже улучшило результаты обучения.»

Больше вариативности помогает обучению

Компьютерное моделирование программ обучения в искусственных глубоких нейронных сетях подтвердило догадку о стратегии обобщения. «В целом, исследование показывает, что тип обучения может влиять на стратегию обучения мозга, а значит, возможно, и на место, где происходит обучение в мозге», – сказал Каспар Швидрзик, руководитель исследовательской группы «Восприятие и пластичность» в DPZ и группы «Нейронные цепи и познание» в ENI, подводя итоги работы. «Можно также сказать, что тренировка зрения схожа с принципами тренировки в футболе. И в том, и в другом случае большая вариативность тренировок приводит к тому, что человек лучше справляется с новыми задачами».