Przetwarzanie informacji przez mózgi

Wykład 8
Neuropsychologia komputerowa
Przetwarzanie informacji przez mózgi
Włodzisław Duch
UMK Toruń
Google: W Duch
Podstawowe mechanizmy
Mikroorganizacja: podstawowe zasady, podobne w całym mózgu.
Makroorganizacja: zróżnicowanie i oddziaływania różnych obszarów.
Na poziomie mikro w modelu Laebra mamy 6 zasad:
Zasady
•
•
•
Mózg nie jest uniwersalnym komputerem.
Neurony dopasowały się ewolucyjnie do wykrywania specyficznych
własności analizowanych sygnałów.
Kompromis pomiędzy specyficznością i wbudowanymi oczekiwaniami
a ogólnością i uniwersalnością.
Jak z neuronów zbudować wszystkie potrzebne elementy, specyficzne i
uniwersalne?
Dynamiczne zasady na poziomie makro:
•
•
•
Spełnianie ograniczeń, w tym wewnętrznych, wiedzy a priori.
Wzmacnianie kontrastów, atraktory, aktywna pamięć.
Mechanizmy uwagi, konkurencja wzajemnie się hamująca.
Makropoziom
Warstwy neuronów-detektorów wzmacniających/osłabiających różnice.
• Hierarchiczne sekwencje transformacji.
• Specjalne transformacje dla różnych sygnałów.
• Wyspecjalizowane ścieżki przesyłania informacji.
• Interakcje wewnątrz ścieżek.
• Obszary skojarzeniowe na wyższym poziomie.
• Rozproszone reprezentacje na dużych obszarach.
Silne sprzężenia między obszarami powodują, że to tylko przybliżone
rozróżnienia, specjalizacja i hierarchia.
Hierarchia i specjalizacja
Procesy umysłowe: wynik hierarchicznej i wyspecjalizowanej
transformacji sygnałów zmysłowych, stanów wewnętrznych (kategorii)
i podejmowanych działań.
Warstwy neuronów-detektorów przetwarzają dochodzące do nich
od receptorów sygnały wzmacniając/osłabiając różnice.
Powstające stany wewnętrzne dostarczają interpretacji stanów
środowiska - hierarchiczne przetwarzanie konieczne jest do osiągnięcia
niezmienniczości reprezentacji, pomimo zmiennych sygnałów, np.
słuchowego (fonemy), czy wzrokowego (kolor, obiekty).
Transformacje i wyspecjalizowane strumienie przetwarzania informacji
pobudzają wewnętrzne reprezentacje kategorii i dostarczają danych do
podejmowania działań, np. reakcji ruchowych.
Analogia: hierarchiczne współzależności w dużej firmie.
Rozproszenie i interakcja
Specjalizacja zwiększa sprawność działania, ale oddziaływania
pomiędzy strumieniami są niezbędne do koordynacji, zdobywania
dodatkowych informacji na różnym poziomie, np. orientacja
przestrzenna i rozpoznawanie obiektów.
Na wyższym poziomie mamy heterogeniczne obszary kojarzeniowe.
Wiedza związana z rozpoznaniem
np. czytanych słów rozproszona
jest w całym mózgu, tworząc
system pamięci semantycznej.
Na mikro i makro-poziomie jest
podobnie: interpretacja całości
jest wynikiem rozproszonej
aktywności wielu elementów.
Wiedza = Przetwarzanie,
program ~ dane.
Zasady dynamiczne
Dobrze znane pobudzenia wywołują natychmiastową reakcję.
Nowe mogą wymagać iteracyjnego szukania najlepszego kompromisu
spełniającego ograniczenia wynikające z posiadanej wiedzy
 możliwym do osiągnięcia stanów dynamicznych mózgu.
Istnieje wiele lokalnych, alternatywnych lub sub-optymalnych, rozwiązań
=> kontekst lokalny (wewnętrzny) zmienia interpretację.
Napadł na bank.
Rozbił bank.
Pamięć trwała jest wynikiem uczenia, jest to pamięć synaptyczna,
potencjalnie dostępna dla procesów, które mogą ją aktywnie użyć.
Pamięć aktywna (dynamiczna) jest wynikiem chwilowych wzajemnych
pobudzeń (aktywizacji) fragmentów sieci; jest krótkotrwała bo neurony
się męczą i angażują w wiele procesów.
Taki mechanizm powoduje niepowtarzalność przeżyć  interpretacji
wewnętrznych, stany kontekstowe są zawsze trochę odmienne.
Ogólne funkcje kory
Podsumowanie f. kory (lokalny link)
http://www.is.umk.pl/~duch/Wyklady/Mozg/09-4-funkcje-kory.htm
Obszary podkorowe
Pień mózgu: jądra szwu –
serotonina, twór siatkowaty:
ogólna przytomność.
Śródmózgowie: część nakrywki
(VTA) – dopamina, wartość
obserwacji/działania.
Wzgórze: wejścia sygnałów
zmysłowych, uwaga.
Móżdżek: uczenie się ruchu,
sekwencje czasowe ruchu.
• Ciało migdałowate: emocje, skojarzenia afektywne.
• Jądra podstawy: sekwencje, antycypacja, kontrola ruchu, modulacja
aktywności kory przedczołowej, wybór i inicjacja nowej aktywności.
• Hipokamp: szybkie uczenie, pamięć epizodyczna i przestrzenna.
3 podstawowe obszary
PC – tylna kora ciemieniowa i kora
ruchowa; działania sensomotoryczne,
specjalizacja, rozproszenie rep.
FC – kora przedczołowa, wyższe
czynności poznawcze, izolowane rep.
HC – formacja hipokampa i okolice,
pamięć, szybkie uczenie, rzadkie rep
• Uczenie musi być powolne by uchwycić statystycznie istotne zależności,
precyzyjnie analizować dane ze zmysłów i kontrolować ruch, ale
potrzebny jest też mechanizm szybkiego uczenia.
• Kompromis: wolne uczenie korowe i szybkie w hipokampie.
• Utrzymywanie aktywnej informacji i jednocześnie przyjmowanie nowej w
rozproszonym systemie, unikanie interferencji.
Wolne/szybkie uczenie
Neuron uczy się prawdopodob.
warunkowego, korelacji
pomiędzy pożądaną
aktywnością a sygnałami
wejściowymi; optymalna wartość
0.7 osiągana jest szybko tylko
przy małej stałej uczenia ~0.005
• Każde przeżycie to mały fragment niepewnej, ale potencjalnie przydatnej
wiedzy o świecie => stabilność obrazu świata wymaga powolnego
uczenia, integracja prowadzi do zapominania indywidualnych zdarzeń.
• Istotne nowe informacje uczymy się po jednokrotnej ekspozycji.
• Lezje formacji hipokampa wywołują amnezję następczą.
• System neuromodulacji osiąga kompromis stabilności/plastyczności.
Aktywna pamięć
Rozproszone nakładające się reprezentacje w PC
mogą sprawnie zapisać informacje o świecie, ale ...
zbyt wiele skojarzeń i połączeń zmniejsza możliwości
precyzyjnego odnajdywania informacji, może ją też
zacierać z upływem czasu, trudno o kombinatoryczną
produktywność przy złożonej analizie.
FC – kora przedczołowa, przechowuje izolowane
reprezentacje; większa stabilność pamięci.
Hamowanie => pamięć aktywna musi być wybiórcza, efektem jest
„skupienie uwagi”.
Uwaga nie jest wynikiem działania odrębnych mechanizmów
związanych z wolą, jest procesem emergentnym wynikającym z
konieczności spełnienia wielu ograniczeń jednocześnie.
Architektura poznawcza BICA
Hierarchiczna struktura dla danych zmysłowych w PC,
rekurencja izolowanych konkurujących reprezentacji w FC,
zapisywanie kontekstu w HC.
Działanie
Kora ciemniowa (PC): uczy się powoli, tworzy rozległe, nakładające się
reprezentacje w gęsto połączonej sieci.
Dynamiczne stany PC to pamięć krótkotrwała, głównie relacji
przestrzennych, szybko ulegająca zaburzeniu i dezintegracji.
Kora czołowa (FC): uczy się powoli, przechowuje izolowane reprezentacje, aktywizacja pamięci jest stabilniejsza, mechanizm nagrody przełącza
dynamicznie jej aktywność, pozwalając dłużej aktywnie pamiętać.
Hipokamp (HC) zapamiętuje szybko epizody tworząc rzadkie
reprezentacje, odróżniając nawet podobne do siebie zdarzenia.
Taka uproszczona architektura pozwoli na modelownie wielu zjawisk
dotyczących percepcji, pamięci, używania języka, efektów
oddziaływania różnych obszarów.
Działania kontrolowane/automatyczne
Automatyczne: rutynowe, proste, niskiego poziomu, sensor-motoryczne,
odruchy warunkowe, skojarzenia – łatwe do modelowania przez sieci.
Kontrolowane: świadome, elastyczne, wymagające sekwencji działań,
wyboru elementów z dużego zbioru możliwości – zwykle realizowana w
opisowy sposób za pomocą systemów regułowych, symbolicznych.
Modele postulujące centralne procesy: jak w komputerze, pamięć
robocza z centralnym nadzorcą mająca wpływ na wiele obszarów.
Tu: procesy emergentne, wynik globalnego spełniania ograniczeń, brak
centralnego mechanizmu.
Kora przedczołowa może jednak wywierać wpływ kontrolny na
aktywność innych obszarów, jest więc zaangażowana w działania
kontrolowane, w tym reprezentację „ja” vs. „inni”, relacji społecznych itd.
Inne rozróżnienia: świadomość
•
Wiedza deklaratywna vs. proceduralna.
Deklaratywna: często wyrażalna symbolicznie (słowa, gesty),
proceduralna jest bardziej zorientowana na sekwencje działań.
•
Wiedza jawna vs utajona.
Działanie kontrolowane opiera się na wiedzy jawnej i deklaratywnej.
Działania automatyczne odnoszą się do wiedzy utajonej, proceduralnej.
Świadome => stany istniejące zauważalnie długo, integrujące informacje
zmysłowe o różnych modalnościach, raportowalne, mające wpływ na
inne procesy w mózgu, zsynchronizowane ale zróżnicowane.
Przypuszczenie: każdy system, który ma stany wewnętrzne i jest na tyle
złożony, by moc je komentować, musi twierdzić, że jest świadomy.
Procesy w korze przedczołowej i hipokampie pozwalają przywołać stan
mózgu (epizod), dają się skomentować (skojarzyć z reprezentacją pojęć).
Różne potencjalne problemy
Są rzeczy łatwe, dla których wystarczą proste modele, i rzeczy trudne
wymagające szczegółowych modeli.
Pokutuje dużo nieporozumień: sieci neuronowe MLP nie są modelami
mózgu, są tylko luźno inspirowane przez uproszczone spojrzenie na
aktywność sieci neuronów; właściwy model neuronowy musi mieć
odpowiednia architekturę i reguły uczenia się.
Przykład: katastroficzne zapominanie skojarzeń z list, dużo silniejsze w
sieciach MLP niż u ludzi => prawidłowa architektura, uwzględniająca
dwa rodzaje pamięci (hipokamp + kora) nie ma z tym problemu.
Ludzkie poznanie nie jest doskonałe i dobre modele pozwalają
przeanalizować liczne kompromisy, przed jakimi stoi mózg.
Mózgi są dość elastyczne, chociaż opierają swoje działanie w
większości na reprezentacji specyficznej wiedzy o świecie.
Problem integracji
•
•
•
•
Binding problem: świat postrzegamy
całościowo, a informacja w mózgu po
wstępnym przetworzeniu nigdzie się
nie schodzi, skąd to odczucie?
Prawdopodobnie synchronizacja
rozproszonych procesów.
Uwaga to mechanizm kontrolny
wybierający obszary, które powinny
być w danym momencie aktywne.
Kodowanie istotnych kombinacji
aktywnych obszarów.
Jednoczesna aktywność = dynamiczna synchronizacja, częściowe
odtworzenie stanu mózgu w czasie epizodu.
Błędy integracji zdarzają się często.
Wyzwania
•
•
•
•
Przerwania: wielopoziomowe przejście od jednej czynności do
drugiej i powrót do wcześniejszej, lub rekurencyjne powtarzanie
kilkukrotnie tej samej czynności => pamięć robocza.
Łatwe dla programu komputerowego (pętle, podprogramy), gdy dane
i programy są oddzielone, ale trudniejsze dla sieci, gdzie nie ma
takiego oddzielenia.
PFC i HCMP pamiętają poprzedni stan i do niego wracają.
Trudne zadanie, często zapominamy, co chcieliśmy powiedzieć
kiedy kogoś słuchamy, zdania mają niezbyt złożone zagnieżdżenia.
The rat the cat the dog bit chased squeaked.
Po polsku nieco łatwiej bo szyk jest inny:
Szczur goniony przez kota ugryzionego przez psa zapiszczał.
Jak i co uogólnić? Rozproszone reprezentacje łączą różne cechy.
Psy gryzą, nie tylko Burek, nie tylko kundle, nie tylko czarne; pudelki też?