Das Erlernen einer neuen Fähigkeit erfordert in der Regel das aktive Üben durch Ausprobieren und das Einholen von Feedback zu Ihrer Leistung. Wissenschaftler haben jedoch herausgefunden, dass der passive Umgang mit relevanten Informationen auch ohne direkte Schulung oder Feedback das Lernen fördern kann.
Forscher der UC Berkeley haben diesen Effekt kürzlich bei Mäusen nachgewiesen, die lernen, Geräusche zu kategorisieren. Sie fanden heraus, dass die passive Einwirkung von Geräuschen vor oder während des aktiven Trainings den Mäusen dabei half, schneller zu lernen. Die Wissenschaftler erstellten außerdem Computermodelle zur Simulation neuronaler Netze im Gehirn, die zeigten, wie passive Exposition die Darstellung sensorischer Informationen verändern und die Verknüpfung mit den richtigen Reaktionen erleichtern kann.
Die Ergebnisse, veröffentlicht in Neuroscience, geben Einblicke in effizientere Trainingsmethoden, die passives und aktives Lernen kombinieren. Dieser hybride Ansatz könnte dazu beitragen, reale Fähigkeiten wie das Erlernen eines Musikinstruments oder den Spracherwerb bei menschlichen Erwachsenen und Kindern zu erlernen.
Die wichtigsten Zutaten: Aufwand, Übung und Feedback
Das Erlernen einer neuen Wahrnehmungsfähigkeit erfordert das aktive Treffen von Entscheidungen über die Aufgabe und das Einholen von Feedback zu diesen Entscheidungen. Angenommen, Sie versuchen, Geräusche besser in hohe oder niedrige Frequenzen einzuteilen. Sie würden sich Töne anhören, erraten, ob sie hoch oder tief klingen, und erfahren, ob Ihre Wahl richtig war. Dieser geschlossene Auswahl-, Feedback- und Anpassungsprozess trainiert die Entscheidungsschaltkreise des Gehirns.
Das passive Hören von Geräuschen im Hintergrund sollte bei diesem aktiven Lernprozess nicht hilfreich sein. Sie treffen keine Entscheidungen und erfahren nicht, ob Sie Recht oder Unrecht haben. Aber Menschen und andere Tiere sind täglich ständig sensorischen Informationen ausgesetzt, auch wenn sie eine Fertigkeit nicht bewusst üben. Die Wissenschaftler der UC Berkeley fragten sich, ob das Gehirn diese passive Belastung opportunistisch ausnutzen könnte.
Frühere Forschungshinweise zum passiven Lernen
Die Forscher ließen sich von früheren Studien inspirieren, die zeigten, dass eine frühe Einwirkung von Geräuschen die Entwicklung des Gehörsystems von Tieren fördern kann. Rattenbabys, die in einer Umgebung mit bestimmten sich wiederholenden Geräuschen aufgezogen werden, können später ähnliche Geräusche besser unterscheiden.
Bei erwachsenen Menschen deuten einige Untersuchungen auch darauf hin, dass die Verknüpfung passiver Zuhörsitzungen mit aktivem Training für Höraufgaben das Lernen fördern könnte. Allerdings war weniger darüber bekannt, wie passive Exposition mit aktivem Lernen in ausgereiften Tiermodellen interagiert, was mehr biologische Erkenntnisse liefern könnte.
Das Team der UC Berkeley erkannte, dass auch maschinelles Lernen einige Hinweise liefern könnte. Informatiker haben herausgefunden, dass sie durch das Vortraining neuronaler Netzwerkmodelle anhand großer, unbeschrifteter Datensätze viel schneller und mit weniger Trainingsbeispielen beschriftete Aufgaben erlernen können. Das auditorische System könnte einen ähnlichen Trick anwenden, indem es sich zunächst passiv unbeschrifteten Geräuschen aussetzt, um sein internes Modell der Welt zu optimieren und so das Lernen von Aufgaben anzukurbeln.
Mäuse lernen schneller nach passivem Zuhören
Die Forscher wollten systematisch testen, ob passive Schallexposition das aktive Lernen von Hörkategorien verbessert, indem sie Mäuse verwendeten, die darauf trainiert wurden, Klangmuster zu erkennen.
Die Mäuse mussten kurze, die Tonhöhe ändernde Töne als steigende oder fallende Frequenz klassifizieren. Sie zeigten ihre Wahl an, indem sie ihre Nase in die linke oder rechte Öffnung einer Testkammer steckten. Im Laufe mehrerer täglicher Trainingseinheiten wurden die Mäuse immer besser darin, die Geräusche genau zu kategorisieren.
Die Wissenschaftler verglichen Gruppen von Mäusen, die das Standardtraining erhielten, mit zwei anderen Gruppen. Eine Gruppe erhielt zusätzliche passive Schallbelastung, indem sie vor dem aktiven Training Hintergrundgeräusche in ihren Heimkäfigen abspielte. Eine andere Gruppe von Mäusen hörte passive Geräusche verschachtelt während der gesamten aktiven Lernphase und nicht nur zu Beginn.
In beiden Fällen zeigten die Mäuse, die zusätzlichen passiven Geräuschen ausgesetzt waren, ein beschleunigtes Lernen. Sie erreichten ihre maximale Kategorisierungsleistung schneller als Mäuse, die nur aktiv trainierten. Dies zeigte, dass passive Schallexposition das aktive Erlernen der Hörfähigkeiten bei ausgewachsenen Säugetieren verbessern kann.
Neuronale Netzwerkmodelle simulieren biologisches Lernen
Um zu verstehen, welche Mechanismen eine passive Exposition ermöglichen könnten, um verhaltensbezogene Lernvorteile zu erzielen, erstellten die Forscher Rechenmodelle, die die neuronale Verarbeitung und das Lernen im auditorischen System nachahmen.
Sie testeten verschiedene Architekturen, die von einfachen linearen Klassifikatoren bis hin zu mehrschichtigen neuronalen Netzen reichten. Einige Modelle nutzten nur überwachtes Lernen, bei dem Netzwerkverbindungen basierend auf der Übereinstimmung zwischen Modellausgaben und genauen Bezeichnungen während des Trainings optimiert werden. Weitere Modelle wurden im unbeaufsichtigten Vortraining hinzugefügt, bei dem Muster in der Struktur unbeschrifteter Eingabedaten erfasst werden, bevor Ausgaben mit Beschriftungen verknüpft werden.
Die Forscher fanden heraus, dass die mehrschichtigen neuronalen Netze, die im Wesentlichen eine unbeaufsichtigte Merkmalserkennung anhand passiver Toneingaben und anschließende überwachte Feinabstimmung durchführten, am besten zur Lernleistung der Mäuse passten. Die Modelle wiesen darauf hin, dass passive Exposition zu neu organisierten Sinnesdarstellungen führt, die ein effizienteres aktives Lernen ermöglichen.
Interleaving funktioniert am besten
Die Experimente zeigten nicht nur, dass passives Aussetzen das Lernen beschleunigte, sondern zeigten auch, dass während des Trainings verschachtelte Tondarbietungen zu einer schnelleren Beherrschung führten als passives Zuhören nur zu Beginn. Weitere rechnerische Modellierungen halfen, dieses Ergebnis durch die sogenannte Kongruenz zwischen den Lernregeln zu erklären, die passive und aktive Modellaktualisierungen vorantreiben.
Wenn sie zusammen stattfinden, verstärken sich die unbeaufsichtigten und überwachten Veränderungen in den neuronalen Verbindungen gegenseitig und verfeinern die Darstellungen schnell, um eine überlegene Leistung zu ermöglichen. Die Forscher fanden heraus, dass nur eine Handvoll verschachtelter passiver Sitzungen genauso effektiv waren wie Tage anfänglicher passiver Exposition.
Wenn Sie also zur Gitarre greifen oder mit fremdsprachigen Kassetten beginnen, stürzen Sie sich nicht sofort in die Hardcore-Übung. Ergänzen Sie Ihr tägliches aktives Training unbedingt durch passives Zuhören. Ihr Gehirn wird die Geräusche aufsaugen und Sie werden Ihre Lernziele in kürzerer Zeit erreichen.
Dieser Ansatz, der passive Exposition mit aktivem Lernen kombiniert, bietet ein Rezept für eine schnellere Beherrschung realer Fähigkeiten mithilfe der natürlichen Lernprozesse unseres Gehirns. Wissenschaftler, die untersuchen, wie Tiere und KI neue Aufgaben erlernen, entdecken weiterhin optimale Trainingspläne, die gekennzeichnete und nicht gekennzeichnete Daten nutzen. Allerdings hilft diese Forschung dem biologischen oder digitalen Gehirn, sich durchzusetzen, indem sie einen Weg aufzeigt, das Lernen zu fördern.
Über den Autor
Robert Jennings ist zusammen mit seiner Frau Marie T. Russell Mitherausgeber von InnerSelf.com. Er besuchte die University of Florida, das Southern Technical Institute und die University of Central Florida mit Studien in Immobilien, Stadtentwicklung, Finanzen, Architekturingenieurwesen und Grundschulpädagogik. Er war Mitglied des US Marine Corps und der US Army und befehligte eine Feldartilleriebatterie in Deutschland. Er war 25 Jahre lang in den Bereichen Immobilienfinanzierung, Bau und Entwicklung tätig, bevor er 1996 InnerSelf.com gründete.
InnerSelf widmet sich dem Austausch von Informationen, die es Menschen ermöglichen, fundierte und aufschlussreiche Entscheidungen in ihrem persönlichen Leben zum Wohle der Allgemeinheit und zum Wohle des Planeten zu treffen. Das InnerSelf Magazine erscheint seit über 30 Jahren entweder gedruckt (1984-1995) oder online als InnerSelf.com. Bitte unterstützen Sie unsere Arbeit.
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