Od neurodynamiki do umysłu

Od neurodynamiki
do geometrii umysłu
Włodzisław Duch
Katedra Informatyki Stosowanej,
Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Toruń
Google: W. Duch
Fizyka a umysł , UAM 23.11.2007
Plan
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
W czym fizyka może pomóc kognitywistyce?
Poziom molekularny.
Neurodynamika i umysły.
Badania kreatywności: psychologia i neuronauki.
Rzut oka na neurokognitywny model wyższych
czynności psychicznych.
Geometryczny model umysłu.
Przyszłość fizyki umysłu.
Fizyka => kognitywistyka
Computational cognitive neuroscience: szczegółowe modele funkcji
poznawczych i neuronów, pierwsza doroczna konferencja 11/2005.
Biofizyczne modele neuronów, powiązania z biofizyką molekularną,
neurodynamika, modele powstawania sygnałów EEG, MEG, fMRI ...
Informatyka neurokognitywna: uproszczone modele czynności
poznawczych, myślenia, rozwiązywania problemów, uwagi, języka,
kontroli zachowania i świadomości => praktyczne algorytmy.
Wiele spekulacji, ponieważ nie znamy szczegółów procesów
zachodzących w mózgu, ale są modele jakościowe wyjaśniające
przyczyny syndromów neuropsychologicznych oraz chorób psychicznych
rozwijają się szybko od ~ 10 lat tj. od 1995 roku.
Nawet proste mózg-podobne przetwarzanie informacji daje podobne
rezultaty => złożoność mózgu nie jest głównym problemem!
Brain As Complex System (BRACS, EU Project) centralne
założenie: najważniejsza jest ogólna neuroanatomiczna struktura
kory i obszarów podkorowych mózgu, należy ją w modelach zachować.
“Roadmap to human level intelligence” , WD + John Taylor (KCL).
Neurony pobudzające i hamujące
Kwas glutaminowy
otwiera kanały Na+,
pobudzająco,
GABA działa na
kanały Cl- hamując
pobudzanie.
Siatkówka
•
•
•
•
Siatkówka nie jest pasywną matrycą rejestrującą obrazy.
Kluczowa zasada: wzmacnianie kontrastów podkreślających zmiany
w przestrzeni i czasie, wzmacnianie krawędzi, jednolicie oświetlone
obszary są mniej istotne.
Fotoreceptory w czopkach i pręcikach,
3-warstwowa sieć, komórki zwojowe =>LGN.
Pole recepcyjne: obszar, który
pobudza daną komórkę.
Kombinacja sygnałów w
siatkówce daje pola recepcyjne
typu centrum-otoczka (on-center)
i odwrotnie, wykrywa krawędzie.
Każde z pól indywidualnych
komórek można modelować
Gaussem, więc takie pola
otrzymuje się jako różnicę (DOG).
Wzrok
•
Z siatkówki przez ciało kolankowate boczne (część wzgórza)
informacja trafia do pierwotnej kory wrokowej V1 i stamtąd wędruje
dwiema drogami.
Złożony model rozpoznawania
Prezentacja dwóch obiektów, uwzględnia LGN, V1, V2, V4/IT, V5/MT
Model ma dodatkowe dwie
warstwy:
Spat1 połączone z V1
Spat2 połączone z V2.
Spat1 ma pobudzenia
wewnątrz warstwy, skupia się
na obiekcie.
Przeniesienie uwagi z jednego
obiektu na drugi jeśli wszystko
dobrze działa; łatwo badać
możliwe problemy.
Efekty ...
Brak akomodacji neuronów spowoduje trudności z przeniesieniem
uwagi, a w efekcie u dziecka:
• skupienie tylko na jednym, absorbcja;
• schematyczne, powtarzalne ruchy;
• niechęć do zróżnicowanej stymulacji czy zabaw;
• brak kontaktu z opiekunem;
• trudności językowe;
• echolalię;
• traktowanie ludzi tak jak przedmioty;
• brak „teorii umysłu”, normalnych relacji.
Co to przypomina?
Autyzm, lub podobne formy spektrum autyzmu 6:1000 dzieci.
Zaburzenia budowy kanałów upływu?
Istotnie, stwierdzono mutacje genów zarówno w kanałach potasowych
(gen CASPR2) jak i sodowych (gen SCN2A):
http://www.autismcalciumchannelopathy.com/
Problemy z umysłem
• Problemy klasyczne i współczesne:
•
Problem psychofizyczny – przebrzmiały? Umysł jest jedną z wielu
rzeczy, którą robi mózg, ale potrzebujemy pomostu pomiędzy
psychologią i neurobiologią; geometryczny model umysłu?
•
Problem adekwatnego języka opisu umysłu.
•
Problem wolnej woli i odpowiedzialności – „wolne”, bo nie da się
przewidzieć ze względu na złożoność neurodynamiki?
Brak empatii => zachowanie psychopaty.
•
Problem jedności poczucia istnienia „ja”: tożsamy z problem
integracji percepcji? Skoro różne aspekty postrzegania
analizowane są przez różne obszary mózgu dlaczego świadomość
w normalnym stanie wydaje się monolityczna? Czego nas uczą
syndromy neuropsychologiczne i choroby psychiczne?
Architektura mózgopodobna
Stany mózgu są czasoprzestrzennymi rozkładami pobudzeń tkanki
neuronów. Procesy poznawcze operują na znacznie przetworzonych
sygnałach dochodzących od zmysłów.
• Czerwień, słodycz, ból ... to fizyczne (relacyjne) stany mózgu.
• Widzę, słyszę i czuję tylko stany mózgu! Np. złudzenia optyczne.
Kora: zbiór mikroobwodów,
rezonatorów tworzących stany
kolektywne, pojedyncze neurony
mają niewielkie znaczenie.
Aktywna część kory: pamięć
robocza, całkiem odmienna od
pamięci w komputerach.
Rejestry komputera to nie są
stany dynamiczne, które
automatycznie prowadzą do
skojarzeń.
Metafora systemu dynamicznego
Umysł/mózg jak system dynamiczny:
•
•
•
Thelen E. and Smith L.B. A Dynamic Systems Approach to the
Development of Cognition and Action. MIT Press 1994.
Smith L.B. and Thelen E, Eds. A Dynamic Systems Approach to the
Development. MIT Press 1994.
J. A. Scott Kelso, Dynamic Patterns. The Self-Organization of Brain
and Behavior. MIT Press 1995
Jak połączyć neuro i psyche ?
•
•
•
R. Shepard (BBS, 2001): uniwersalne prawa należy sformułować w
odpowiednich abstrakcyjnych przestrzeniach psychologicznych; próba
uproszczenia neurodynamiki => geometryczne modele umysłu.
K. Lewin, koncepcyjna reprezentacja i pomiary siły psychologicznych
(1938), stan kognitywny jako ruch w p-ni fenomenologicznej.
George Kelly (1955), personal construct psychology (PCP), geometria
p-ni psychologicznych jako alternatywa dla logiki.
Wglądy i mózgi
Można badać aktywność mózgu w czasie rozwiązywania problemów, które
wymagają wglądu lub które rozwiązywane są schematycznie.
E.M. Bowden, M. Jung-Beeman, J. Fleck, J. Kounios, „New approaches to
demystifying insight”. Trends in Cognitive Science 2005.
Po rozwiązaniu problemu badani za pomocą EEG i fMRI sami określali, czy
w czasie rozwiązywania pojawił się wgląd, czy nie.
Około 300 ms przed pojawieniem się wglądu w zakręcie skroniowym
górnym prawej półkuli (RH-aSTG) obserwowano salwę aktywności gamma.
Interpretacja autorów: „making connections across distantly related
information during comprehension ... that allow them to see connections
that previously eluded them”.
Moja: lewa półkula reprezentująca w STG konkretne obiekty nie może
znaleźć pomiędzy nimi związku =>impas; prawa STG widzi jej aktywność
na meta-poziomie, ogólne abstrakcyjne kategorie, które może powiązać;
salwa gamma zwiększa jednoczesną aktywność reprezentacji w lewej
półkuli, emocje Eureka konieczne są do utrwalenia bezpośrednich koneksji.
Pamięć i kreatywność
Mózgi osób kreatywnych reagują na więcej sygnałów dochodzących ze
środowiska, nie blokują mocno sygnałów, które wcześniej były nieistotne,
nie ulegając łatwo habituacji (Carson, 2003).
Może się to wiązać z bogatszą reprezentacją koncepcji i sytuacji w umysłach
osób kreatywnych.
Podobne zachowania obserwowano u mnichów Zen.
PRIMA, technika skojarzeń par słów pozwala badać, czy w mózgu danej
osoby jest ścieżka, łącząca dane koncepcje.
A. Gruszka, E. Nęcka, Creativity Research Journal 2002.
Słowo 1
Torowanie 0,2 s
Słowo 2
Słowa mogą być łatwe lub trudne do skojarzenia;
słowa torujące mogą być pomocne lub neutralne;
pomocne to skojarzenie semantyczne lub fonologiczne (hogse do horse);
neutralne mogą być bezsensowne lub nie związane z prezentowaną parą.
Rezultaty dla grupy ludzi silnie/słabo kreatywnych są zadziwiające …
Skojarzenia i kreatywność
Hipoteza: kreatywność zależy od pamięci skojarzeniowej,
zdolności do łączenia odległych koncepcji ze sobą.
Rezultat: kreatywność jest skorelowana ze zdolnością do skojarzeń i
podatnością na torowanie; trudniejsze skojarzenia mają dłuższe latencje.
Torowanie neutralne działa dziwnie:
• dla prostych skojarzeń nonsensowne słowa torujące przeszkadzają osobom
kreatywnym, pomagają reszcie; w pozostałych przypadkach pomagają!
• dla odległych skojarzeń torowanie zawsze zwiększa siłę skojarzeń,
u osób kreatywnych dając najsilniejszy efekt.
Podobnie zagadkowe są wyniki dla czasów reakcji.
Konkluzje autorów:
Gęstsze połączenia => lepsze skojarzenia => większa kreatywność.
Wyniki dla neutralnych słów torujących są niezrozumiałe.
Słowa w mózgu
Eksperymenty psycholingwistyczne dotyczące mowy pokazują, że w mózgu
mamy dyskretne reprezentacje fonologiczne, a nie akustyczne.
Sygnał akustyczny => fonemy => słowa => koncepcje semantyczne.
Aktywacje semantyczne następują 90 ms po fonologicznych (N200 ERPs).
F. Pulvermuller (2003) The Neuroscience of Language. On Brain Circuits of
Words and Serial Order. Cambridge University Press.
Sieci działania –
postrzegania,
wnioski z badań
ERP i fMRI.
Fonologiczna gęstość otoczenia słowa = liczba słów brzmiących podobnie
jak dane słowo, czyli dająca podobne pobudzenia mózgu.
Semantyczna gęstość otoczenia słowa = liczba słów o podobnym
znaczeniu (rozszerzona podsieć aktywacji).
Słowa: prosty model
Cele:
• zrobić najprostszy model kreatywnego myślenia;
• tworzyć interesujące nowe nazwy, oddające cechy produktów;
• zrozumieć nowe słowa, których nie ma w słowniku.
Model zainspirowany przez procesy zachodzące w mózgu w czasie
wymyślania nowych słów. Dany jest zbiór słów kluczowych, które pobudzają
korę słuchową.
Fonemy (allofony) są rezonansami, uporządkowane pobudzenie fonemów
aktywuje zarówno znane słowa jak i nowe kombinacje; kontekst +
hamowanie w procesie zwycięzca bierze wszystko zostawia jedno słowo.
Kreatywność = wyobraźnia (fluktuacje) + filtrowanie (konkurencja)
Wyobraźnia: wiele chwilowych rezonansów powstaje równolegle, aktywując
reprezentacje słów i nie-słów, zależnie od siły połączeń oscylatorów.
Filtrowanie: skojarzenia, emocje, gęstość fonologiczna/semantyczna.
Skojarzenia - powtórka
Dlaczego torowanie neutralne dla prostych skojarzeń i
nonsensownych słów torujących pogarsza wyniki osób kreatywnych?
Słaba kreatywność = słabe skojarzenia (połączenia) miedzy oscylatorami;
dodanie szumu (nonsensownych słów) wzmacnia już zachodzące oscylacje
umożliwiając wzajemne pobudzenia, dla silniej połączonej sieci neuronowej i
prostych skojarzeń prowadzi do zamieszania, gdyż pobudza wiele stanów.
Dla trudnych skojarzeń dodawanie szumu u osób słabo kreatywnych nie
pomoże ze względu na brak połączeń, słowa torujące powodują jedynie
chaos. Dla osób kreatywnych wywołanie rezonansu miedzy odległymi
mikroobwodami jest możliwe: mamy tu rezonans stochastyczny!
Dla słów torujących ortograficznie podobnych przy bliskich skojarzeniach
pobudza to aktywność reprezentacji drugiego słowa, zawsze zwiększając
szansę rezonansu i skracając latencję. Nie pomaga to jednak dla odległych
skojarzeń, nie pobudzając pośrednich obwodów, które muszą być aktywne
by powstał rezonans, za to słowa nonsensowne wzmagają efekt torowania.
Słowa: algorytm
Jak to modelować? Sieci skojarzeniowe, model adaptacyjnego
rezonansu (~ ARTWORD).
Uproszczone modele sieci skojarzeniowych, modele statystyczne.
• Utworzyć model sieci prawdopodobieństw łączących fonemy i sylaby
• utworzyć funkcję oceny gęstości fonologicznej i semantycznej wyrazów.
Algorytm szukania nowych słów:
•
•
•
•
•
Przeczytać początkową pulę słów opisujących danych obiekt.
Rozszerzyć ją o słowa skojarzone fonologicznie i semantycznie.
Rozbić słowa na fragmenty składające się z fonemów, sylab, morfemów.
Wyobraźnia: tworzyć kombinacje fragmentów zgodnie z P(n-gram).
Filtrowanie: utworzyć ranking na podstawie gęstości semantycznej wokół
morfemów tworzących nowy wyraz.
Serwer: http://www-users.mat.uni.torun.pl/~macias/mambo/index.php
Słowa: eksperymenty
Mając opis lub słowa kluczowe:
I am looking for a word that would capture the following qualities: portal to
new worlds of imagination and creativity, a place where visitors embark on
a journey discovering their inner selves, awakening the Peter Pan within.
A place where we can travel through time and space (from the origin to the
future and back), so, its about time, about space, infinite possibilities.
FAST!!! I need it sooooooooooooooooooooooon.
creativital, creatival (creativity, portal), używane creatival.com
creativery (creativity, discovery), creativery.com (strategy+creativity)
discoverity = {disc, disco, discover, verity} (discovery, creativity, verity)
digventure ={dig, digital, venture, adventure} , nowe!
imativity (imagination, creativity); infinitime (infinitive, time)
infinition (infinitive, imagination), nazwa firmy
learnativity (taken, see http://www.learnativity.com)
portravel (portal, travel); sportal (space, sport, portal), używane
timagination (time, imagination); timativity (time, creativity)
2/3 słów wcześniej użytych przez ludzi => podobne rezultaty.
Automatyzacja działań
Uczenie się: początkowo świadome działania
angażują cały mózg, w końcu działania
automatyczne, podświadome, zlokalizowane.
Formowanie się nowych kwazistabilnych stanów
mózgu w czasie uczenia się => modele neuronowe.
Uczenie się wymaga wzmacniania zachowań pożądanych, obserwacji
i oceny złożonych stanów mózgu.
Powiązanie obecnego działania z zapamiętanymi skutkami podobnych
działań wymaga ocen i porównań, a następnie reakcji emocjonalnych,
które wyzwolą neurotransmitery (dopaminę) jako sygnał
wzmacniający, zwiększający szybkość uczenia modułów neuronowych
Pamięć robocza w tak złożonym procesie jest niezbędna.
Błędy należy zapamiętać, zwłaszcza gorzki smak porażki.
Nie ma żadnego transferu od świadomego do nieświadomego! Jest
tylko (świadomy) proces oceny potrzebny do wzmocnienia.
Gdzie ten umysł?
Centralny Paradoks Kognitywistyki:
jak ze zliczania impulsów przez neurony powstaje
struktura, symbole, znaczenie, sens, wrażenia,
emocje ... czyli świat umysłu?
Problemy filozoficzne: problem psychofizyczny,
problem jakości wrażeń, świadomości,
semantyki i syntaktyki, wiele eksperymentów myślowych ...
Problemy techniczne:
• Jak pogodzić spójność umysłu z rozproszonym przetwarzaniem
(binding problem)?
• Jakie są warunki powstawania wrażeń?
Psycho-logos, logika psyche, ma bardzo niewiele praw ogólnych.
Brak dobrego modelu łączącego poziom neuro i psyche.
Neurofenomenologia
F. Varela, hipoteza neurofenomenologii: fenomenologiczny opis
struktury doświadczenia i jego odpowiedniki w naukach poznawczych
wzajemnie się precyzują (reciprocal constraints).
Neuronalną podstawą doświadczenia czasu są rozległe synchronizacje
aktywnych obszarów mózgu. Właściwym poziomem funkcjonalnym dla
przeżywanego świadomie czasu jest ciąg kolejnych synchronizacji i
relaksacji. Przemijające w czasie zdarzenia reprezentowane są w postaci
trajektorii w przestrzeni fazowej (stanów neuronalnych). Zależności
pomiędzy synchronizowanymi obszarami mózgu są nieliniowe.
To wyjaśnienie stosuje się do czasowych obiektów (zdarzeń) (warstwa 1).
Głębsze warstwy przeżycia czasu ujawnia analiza fenomenologiczna:
odczuwany przepływ czasu (warstwa 2) i sama czasowość (warstwa 3),
w której osadzone jest doznanie przepływu czasu i zdarzeń w czasie.
Te głębsze warstwy da się wyjaśnić odpowiednio przez tzw.
krajobrazy w przestrzeniach fazowych (2) oraz przez
otwarty charakter emocji i dyspozycji (3).
Dlaczego istnieją qualia?
Wyobraźmy sobie szczura wąchającego jedzenie.
W ułamku sekundy musi zdecydować: jeść czy pluć?
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Węszy i ostrożnie podgryza.
Kora smakowa wysyła RFC, prośbę o komentarze.
Pamięć jest rozproszona, skojarzenia szukane są w całym mózgu.
RFC pojawia się w pamięci roboczej (WM) na poziomie globalnej
dynamiki mózgu.
WM jest niewielka, mieści tylko kilka wzorców (7±2 u ludzi).
Powstają stany rezonansowe aktywując ślady pamięci.
Najsilniejszy dominuje: złe skojarzenia! trucizna! pluć!
Zaczyna się silna reakcja fizjologiczna – postrzeganie służy działaniu
Stan epizodyczny WM jest zapamiętywany w pamięci długotrwałej.
Szczur ma różne „odczucia” dla różnych smaków, lubi być łaskotany.
Gdyby szczur miał zdolność mówienia, jak by opisał ten epizod?
Rezultaty procesów niesymbolicznych, ciągłych, np. rozróżniania
smaków, są pamiętane i kojarzone z reakcjami organizmu: qualia!
Jeszcze o wrażeniach
Pamięć trwała (LTM) jest ogromna, rzędu 1014 synaps.
Pamięć robocza (WM) jest aktualizacją kilku stanów LTM,
zjawiskiem dynamicznym.
• Adaptacyjny rezonans: wstępujące (zmysły=>koncepcje) i zstępujące
(koncepcje=>zmysły) strumienie informacji tworzą samouzgodnione
rewerberacje, chwilowo istniejące stany mózgu/umysłu.
• Stany rezonansowe są “ubrane”: zawierają w sobie skojarzenia, ślady
pamięci, działania, zawarte w jednym stanie – całkiem odmiennie niż
w przypadku abstrakcyjnych stanów rejestrów maszyny Turinga.
Co dzieje się ze smakiem lodów?
Kubki smakowe dostarczają informacji przez cały czas;
mózg je przetwarza, ale qualia znikają po krótkim czasie.
Dlaczego? Pamięć roboczą wypełnia wiele obiektów a jeśli nie
ma w niej rezonansów z korą smakową to nie ma wrażenia.
Kiedy system ma wrażenia?
Każdy system zdolny do oceny swoich stanów pamięci
roboczej musi twierdzić, że ma wrażenia i jest ich świadomy!
Wystarczą do tego mechanizmy skojarzeniowe.
Minimalne wymagania do zbudowania takiego systemu to:
•
•
•
•
•
•
•
Pamięć Robocza (WM), oparta na dynamicznym modelu
rekurencyjnej sieci neuronowej, powinna zawierać informację
pozwalającą na odtworzenie stanu wszystkich podsystemów.
Pamięć trwała, pozwalająca na odtworzenie stanów pamięci roboczej
Zdolność do rozróżnienia pomiędzy różnymi typami zmieniających
się w ciągły sposób stanów WM; „rozróżnienie" oznacza skojarzenie
z różnego rodzaju działaniami, symbolami, komentarzami.
Mechanizm aktywacji skojarzeń zapamiętanych w strukturze trwałej
pamięci, oraz dodawania takiej informacji do stanów WM.
Możliwość aktywnego komentowania stanów WM: słowa, działania.
Odróżnienie ‘ja’ i ‘reszta’, kategoryzacja wartości stanów WM z
punktu widzenia celów (przeżycia) systemu.
Instynkty i napędy nadające ogólną orientację systemowi.
Perspektywa wewnętrzna
Qualia musza istnieć w mózgopodobnych strukturach:
•
Wrażenia zależą od działania mechanizmów poznawczych mózgu;
dlatego habituacja lub intensywna koncentracja usunie qualia,
nawet jeśli informacja dostępna jest niektórym obszarom mózgu.
•
Qualia wymagają odpowiedniej transformacji i interpretacji
dochodzących do mózgu informacji, np: segmentacji sceny
wzrokowej, co widać wyraźnie w badaniach ślepoty na zmiany; bez
interpretacji nie ma wrażeń.
•
Za interpretację odpowiedzialna jest wtórna kora zmysłowa; lezje
zmieniają qualia, powodując np. asymbolię czuciową, coś się czuje
ale nie wiadomo co – wrażenie nie ma normalnych własności
(podobnie jest z emocjami, które są trudniejsze do interpretacji).
•
Nie ma wrażenia bólu bez interpretacji sygnału bólu.
•
Wrażenia wzrokowe: wrażenie koloru wymaga określonych stanów
obszarów V4 analizującego kolory, uszkodzenia tego obszaru
powodują zanik wrażeń koloru, na jawie i w snach.
Pamięć i wrażenia
Pamięć konieczna jest do interpretacji stanów mózgu:
•
Qualia powinny się zmieniać pod wpływem środków wpływających
na pamięć.
•
Trening percepcyjny wpływa na sposób odbierania wrażeń;
zapamiętanie nowych dźwięków/smaków/obiektów zmienia qualia.
•
Nowe qualia pojawiać będą się również w snach.
•
Dlaczego wiązanie sznurówek nie ma smaku? Tylko pamięć
epizodyczna tworzy rezonanse, pamięć proceduralna nie.
•
Przypadki złej lub nietypowej interpretacji informacji przez mózgi
prowadza do licznych dziwnych wrażeń i zachowań, takich jak:
synestezje – mieszanie się różnych wrażeń zmysłowych;
ślepowidzenie – szczątkowe widzenie bez świadomości;
jednostronne zaniedbanie, niezdolność do przypominania sobie i
ignorowanie połowy przestrzeni lub połowy swojego ciała;
dysmorfia ciała – cierpienia z powodu posiadania ciała;
kończyny fantomatyczne kontrolowane przez lustrzane odbicia;
stany absorbcji, urojenie Capgrasa i wiele innych.
Czego brakuje?
Poznanie wszystkich szczegółów na poziomie
molekularnym lub pojedynczych neuronów nie wystarczy!
Roger Shepard, Toward a universal law of generalization
for psychological science (Science, Sept. 1987)
“Nie potrzeba nam więcej danych, ale całkiem odmienne
podejście do problemu.”
Umysł jest częścią tego, co robi mózg.
W jaki sposób analizować neurodynamikę tak, by odnieść ją do umysłu?
Platon: widzimy cienie prawdziwej rzeczywistości na ścianie jaskini.
Metaforycznie: umysł jest cieniem neurodynamiki.
Geometria umysłu
R. Shepard (1994): prawa psychologiczne należy formułować w
odpowiednich przestrzeniach.
Makroskopowe własności są wynikiem oddziaływań na poziomie
mikroskopowym.
Opis ruchu - niezmienniczy w odpowiednich przestrzeniach
Przestrzenie Euklidesowe - transformacja Galileusza.
Pseudo-Euklidesowe (3+1) - transformacja Lorentza.
Riemanna - transformacje w układzie przyspieszającym.
Zachowanie, decyzje - rezultat neurodynamiki.
Opis na poziomie neurodynamiki: zbyt trudny.
Logika i symbole - zbyt uproszczona; opis geometryczny najlepszy?
Jakie przestrzenie należy użyć by znaleźć ogólne prawa zachowania?
Przestrzenie psychologiczne (K. Lewin 1938): obszar, w którym można
umieścić elementy naszego doświadczenia, zdarzenia mentalne.
Prawa uniwersalne?
„Siły, dynamika”: w P-przestrzeniach o minimalnej liczbie wymiarów.
Odległości: malejące z wzrastającym podobieństwem obiektów.
Uniwersalne prawo generalizacji bodźców zmysłowych:
w odpowiedniej przestrzeni zależność jest zawsze eksponencjalna.
D, odległość, obliczona procedurą MDS z postrzeganego podobieństwa;
G(D), prawdopodobieństwo reakcji na wyuczony bodziec (D=0).
Struktura P-przestrzeni.
P-przestrzenie: jakie wymiary? Jakie relacje do bodźców fizycznych?
Informacje docierające z siatkówki do kory wzrokowej są szkicowe!
Niezmienniczość postrzeganego koloru K(x,l) = I(l)S(x,l).
Postrzeganie stałego koloru wymaga 6 receptorów, a są 3.
Fizyka ruchu wyobrażanych obiektów: geometria kinematyczna.
Trajektorie ruchu pozornego: linie geodezyjne obrotu i przesunięcia,
a więc jest to ruch helikalny.
Położenie sztywnego obiektu: wyróżniony punkt + kąty, czyli
rozmaitość 6-D, iloczyn półprosty grup E+=R3SO(3).
Linie geodezyjne: rodzina 1-par. podgrup, odpowiadających
helikalnym trajektoriom geometrii kinematycznej.
Częściowa symetria obiektów upraszcza strukturę przestrzeni.
Eksperymenty psychofizyczne pozwalają na określenie struktury tej
przestrzeni.
Interpretacja kształtów obiektów wymaga większej liczby wymiarów.
Rozpoznawanie: ruch po geodezyjnej w stronę prototypu kształtu obiektu.
Wrażenia wzrokowe
Teoria rozpoznawania obiektów, S. Edelman (1997)
Wystarczy podobieństwo drugiego rzędu, nie więcej niż 300 wymiarów.
Populacja kolumn kory działająca wspólnie (stacking).
Model statyczny
Przestrzeń i czas:
arena zdarzeń fizycznych (od czasów Newtona).
P-przestrzenie: arena zdarzeń psychicznych, cień neurodynamiki.
Cel: integracja informacji behawioralnej i neurodynamiki w jednym
modelu, pomost pomiędzy psychologią i neurofizjologią, prostszy niż
sieci neuronowe, ale sub-symboliczny, ciągły.
Wersja statyczna: reakcje mózgu rzędu 1 sek, behawioralne
(sensomotoryczne) lub kognitywne (oparte na pamięci).
Zastosowania: rozpoznawanie obiektów, powstawanie kategorii w
niskowymiarowych P-przestrzeniach, modele umysłu.
Jak?
• Uprościć neurodynamikę, znaleźć niezmienniki (atraktory), rozkłady
gęstości prawdopodobieństwa (PDF), przedstawić je w Pprzestrzeniach.
• Użyć danych behawioralnych do modelowania PDF.
Jak budować model?
Od pomiarów aktywności neuronów do oceny siły bodźców.
Analiza statystyczna (Bayes’owska) zapisów z wielu elektrod (Földiak).
P(ri|s), i =1..N obliczone z zapisów wieloelektrodowych
Prawdopodobieństwo posterioryczne P(s|r) = P(stymulacja | reakcja)
Prawo Bayes’a:
N
P  s | r   P  s | r1 , r2 ..rN  
P( s ) P  ri | s 
i 1
N
 P( s ') P  r | s ' 
s'
i 1
i
Analiza populacyjna: obiekty reprezentowane jako
populacja aktywności kolumn.
Reprezentacja słów - widoczna w obrazowaniu
mózgu.
Uczenie się kategorii
Kategoryzacja w psychologii – duża dziedzina, wiele teorii.
Klasyczne eksperymenty: Shepard et. al (1961), Nosofsky et al. (1994)
Problemy kategoryzacji o wzrastającym stopniu złożoności, mamy
3 binarne własności: kolor (czarny/biały), rozmiar (mały/duży), kształt
(, ), oraz zbiór przykładów podzielonych na dwie kategorie C1, C2.
Typ I : jedna własność określa kategorię, np. kolor.
Typ II: dwie własności, z logiką XOR, np.
Kat A: (czarny,duży) lub (biały,mały), kształt dowolny.
Typ III-V: jedna własność + coraz więcej wyjątków.
Typ VI: brak logicznej reguły, trzeba pamiętać przykłady.
Trudności i szybkość uczenia się w eksperymentach:
Typ I < II < III ~ IV ~ V < VI
Dynamika kanoniczna
Co dzieje się w mózgu w czasie uczenia się definicji kategorii na
przykładach?
Złożona neurodynamika <=> najprostsza dynamika (kanoniczna).
Dla wszystkich reguł logicznych można napisać odpowiednia równania.
Dla problemów typu II, czyli XOR:
V  x, y, z   3 xyz 
1 2
2
2 2
x

y

z


4
V
 3 yz   x 2  y 2  z 2  x
x
V
y
 3 xz   x 2  y 2  z 2  y
y
V
z
 3 xy   x 2  y 2  z 2  z
z
x
Przestrzeń
cech
Wbrew większości
Lista: choroby C lub R, symptomy PC, PR, I
Choroba C kojarzy się z symptomami PC+I,
a rzadka choroba R z symptomami PR+I.
Niech C występuje 3 razy częściej niż R.
Pytania o PC+I => C, PC => C, I => C, zgodnie z
oczekiwaniami, ale chociaż PC+I+PR => C (60%)
to PC+PR => R (60%)!
Zaskakujące przewidywania, wbrew większości
(Medin, Edelson 1988).
Baseny atraktorów neurodynamiki?
PDF w przestrzeni {C, R, I, PC, PR}.
Interpretacja psychologiczna (Kruschke
1996): PR ma znaczenie ponieważ jest to
symptom wyróżniający, chociaż PC jest
częstszy. Niestety psycholodzy na wszystko
znajdą pozorne wyjaśnienia ...
Uczenie
Punkt widzenia
Neurodynamika
Psychologia
I+PC=>C, pojawia się często więc Symptomy I, PC są typowe dla C
ma silniejsze połączenia
ponieważ są częściej
synaptyczne, powstają większe i obserwowane.
głębsze baseny atraktorów.
I+PR=>R, ponieważ formuje się
atraktor dla I+PC prowadzący do
C, nauczenie skojarzenia
I+PR=>R wymaga powstania
głębszego i bardziej
zlokalizowanego atraktora.
Dla rzadkiej choroby R symptom I
występujący też z C jest mylący,
uwaga skupia się na symptomie
PR skojarzonym z R.
Pytania i dynamika
Punkt widzenia
Neurodynamika
Psychologia
I=>C, bo dłuższe uczenie
skojarzenia I+PC=>C tworzy
większy wspólny basen atrakcji niż
I+PR=>R.
I => C, w zgodzie z większą
częstością, bo częstsza
stymulacja I+PC=>C jest częściej
przypominana.
I+PC+PR prowadzi często do C
bo I+PC umieszcza system w
środku dużego basenu
skojarzonego z C i pomimo
silnego gradientu wymiarze PR
trajektorie zwykle kończą w C.
I+PC+PR => zwykle do C
ponieważ obecne są wszystkie
symptomy a C jest częstsze
(argument oparty na częstości).
PR+PC prowadzi częściej do R
ponieważ w kierunku R jest silny
gradient i z punktu (PR,PC) dla
małego I łatwiej skończyć w R.
PC+PR => R ponieważ R jest
symptomem dyskryminującym,
chociaż PC jest częstsze (ale
czemu powyżej też tak nie jest?).
Model dynamiczny
Model statyczny - przydatny do interpretacji szybkich reakcji.
Lokalne maksima PDF: aktywacje pamięci.
Neurodynamika (poziom mikro):
1010 - 1014 parametrów
(synapsy);
atraktory i przejścia pomiędzy
nimi.
Przestrzenie cech:
10-1000 parametrów
(bodźce i zachowania);
obiekty (PDF) i przejścia
pomiędzy nimi.
Mapy umysłu.
Maskowanie
Maskowanie: jeśli po ekspozycji pierwszego bodźca następuje szybko
drugi, to wrażenia związane z tym pierwszym nie powstają.
Stan umysłu: początkowo rozpoznawanie obiektu O1, stan ma pewien pęd
i bezwładność (masę efektywną).
Bodziec zewnętrzny skierowuje go do O2.
Bodziec maskujący O3 bliski O2 blokuje aktywację O2;
wrażenia związane z pierwszym bodźcem nie powstają.
Torowanie obniża „masę efektywną”.
Model umysłu
Model hierarchiczny:
• wykrywanie cech - mapy topograficzne, kora sensoryczna
• rozpoznawanie obiektów - pamięć długotrwała
• pamięć robocza - bieżąca kontrola, przeżywana teraźniejszość.
Fizyka umysłu
Język pozwalający na opis zdarzeń
mentalnych redukowalny do zdarzeń
neurofizjologicznych.
Dynamika „stanu umysłu”, uproszczona
dynamika opisująca ruch w przestrzeni cech.
Obiekty - potencjały, spowalniające
dynamikę.
Stan umysłu: pęd, masa efektywna.
Uproszczona dynamika powinna
odtwarzać prawd. przejść pomiędzy
stanami neurodynamiki mózgu, stanami
behawioralnymi.
Rozmyta dynamika symboliczna?
Pierwotne obiekty umysłu: skonstruowane
z danych sensorycznych i motorycznych.
Wtórne: kategorie abstrakcyjne.
Modele mentalne
Neurodynamika jest odpowiedzialna za rozumowanie;
tylko proste skojarzeniowe formy rozumowania są łatwe.
Przykład:
Wszyscy akademicy to uczeni.
Żaden mędrzec nie jest akademikiem.
Co możemy powiedzieć o relacjach pomiędzy uczonymi i mędrcami?
Po tygodniach namysłu studenci nadal nie potrafią odpowiedzieć.
Na egzaminie pomimo wcześniejszych wyjaśnień 9 osób na 15 podała
błędną odpowiedź.
Wniosek: myślenie biegnie utartymi drogami.
Powiązania
• Psychologia:
K. Levin, psychological forces.
G. Kelly, Personal Construct Psychology.
R. Shephard, uniwersalne niezmiennicze prawa w psychologii.
• Emocjie jako zmienne potencjały w p-przestrzeniach.
• Psychologia potoczna: metafory przestrzenne są dość powszechne.
to put in mind, to have in mind, to keep in mind (mindmap), to make up
one's mind, be of one mind ... (space).
• Psycholingwistyka: T. Landauer, S. Dumais, Latent Semantic
Analysis, Psych. Rev. (1997), redukcja wymiarowości przestrzeni
koncepcji z 60k do ok. 300 wymiarów poprawia kateogryzację.
• Lingwistyka: problemy analizy semantycznej rozwiązać można za
pomocą „przestrzeni konceptualnych” (concept spaces).
G. Fauconnier, Mental Spaces (Cambridge U.P. 1994).
J. Elman, Language as a dynamical system (San Diego, 1997).
Strumień myśli, zdanie jako trajektoria w przestrzeni umysłu.
Powiązania
• Neuronauki:
D. Marr (1970) wyobrażał sobie “probabilistic landscape”.
C.H. Anderson, D.C. van Essen (1994): Superior Colliculus PDF maps
S. Edelman: “neural spaces”, przydatne do analizy rozpoznawania
obiektów, globalnej przestrzeni reprezentacji w której dokonywana jest
aproksymacja Kartezjańskiego produktu podprzestrzeni kodujących
fragmenty i pozwalających na reprezentację podobieństwa.
• Sztuczna inteligencja: dynamicznie budowane przestrzenie
problemów w których ruch jest rozumowaniem np. w SOAR, ACT-R,
ale mało prac nad ciągłymi, niesymbolicznymi p-niami (MacLennan).
• Identyfikacja systemów: budowa modeli wewnętrznych na podstawie
obserwacji wejść i wyjść – w szczególności nieparametrycznych
modeli behawioralnych, tworzonych przez sieci neuronowe.
• Filozofia: przestrzenie umysłu jako arena zdarzeń mentalnych,
np. Mind as motion, ed. R.F. Port, T. van Gelder (MIT Press 1995).
P. Gärdenfors, Conceptual spaces (MIT Press 2000).
Podsumowanie
•
•
Nowy spójny paradygmat dla kognitywistyki?
Model Platoński - redukowalny do neurodynamiki, interpretowalny na
poziomie psyche.
• Poszukiwanie niskowymiarowych reprezentacji zdarzeń mentalnych i
uproszczonej dynamiki.
• Sieć neuronowa realizująca model statyczny znajduje użyteczne
zastosowania techniczne.
Otwarte pytania:
•
Matematyczny opis p-ni o zmiennej liczbie wymiarów.
•
Geometryczne unaocznienie nawet prostych eksperymentów wymaga
wielowymiarowych przestrzeni.
•
Jeśli odległości  prawd. przejść to są niesymetryczne; modelowanie
za pomocą przestrzeń Finslera?
•
Wyzwanie: od neurodynamiki => modelu przestrzeni cech dla
obserwacji stanów mózgu w procesach kategoryzacji u małp.
•
Symulator modelu dynamicznego, redukcja dynamiki.
•
Na ile taki model może być przydatny?
Czy „Ja” podejmuje decyzje?
B. Libet i inn. The Volitional Brain: Towards a
Neuroscience of Free Will. Imprint Academic 2000
Klasyczne doświadczenia Libeta:
stymulacja palca odczuwana jest 500 ms
przed stymulacją kory.
Obserwacja potencjałów gotowości RP
300 ms przed wrażeniem podjęcia
decyzji o naciśnięciu przycisku,
najpierw są plany ruchu, potem
decyzja a nie odwrotnie.
Czy wola ma prawo weta? Wątpliwe.
Trevarna & Miller 2002, inni.
Doświadczenia z TMS: chociaż 80%
wybiera stymulowaną rękę, wybór
odczuwany jest jako „wolny”.
Intencje w mózgu
Hayens i inn, Current Biology 2007: dostaniesz za chwilę dwie liczby,
możesz je dodać lub od siebie odjąć ... a aktywność przyśrodkowej kory
czołowej mi pokaże, jakie są Twoje intencje ...
Czy Ja jestem przyczyną działania?
Farrer & Frith, Experiencing Oneself vs Another Person as Being the
Cause of an Action: The Neural Correlates of the Experience of Agency
Neuroimage 15, 596, 2002.
Świadomość własnego działania (rysowania dźojstikiem) związana jest z
aktywnością przedniej części wyspy (AIC), a świadomość, że
uczestniczy się biernie i inna osoba wykonuje ruchy z aktywacją dolnej
kory ciemieniowej (IPC).
AIC: integracja wielomodalnych
informacji zmysłowych związanych
z własnym wolicjonalnym
działaniem.
IPC: reprezentacja ruchu w
układzie niezależnym od własnego
położenia?
Czy naprawdę
JA jest takie
wspaniałe?
„Przyczyną
naszych trosk jest
złudzenie ego.”
Zazen Wasan
Hakuin Zenji
(1686-1769)
Czy jesteśmy automatami?
Jesteśmy mózgami a te nie działają jak maszyny Turinga!
•
Mózg to maszyna, a więc „mnie” nie ma? Nie! Mózg to znacznie
więcej niż „ja”. To znacznie więcej niż materia w nim zawarta!
•
Mózg jest substratem dla procesów umysłowych. To cała historia
gatunku i moja własna.
•
To nie ja, to zrobił mój mózg! Mózg podejmuje „nasze” decyzje, „ja”
je interpretuje (np. przecięcie spoidła, lezje, jednostronne
zaniedbanie, hipnoza ...).
•
Tradycyjny punkt widzenia jest zupełnie niezrozumiały i niczego nie
wyjaśnia (oprócz niechęci do naukowego zrozumienia umysłu).
•
Pozory „ja” są głęboko mylące ... ale można się zdeprogramować,
np. Susan Blackmore, co zastępuje poczucie ‘ja’?
•
Ochrona mózgów i ekologia umysłu jest najważniejsza.
Przyszłość.
Fizyka jest niezbędna kognitywistyce na każdym etapie:
od metod neuroobrazowania i monitorowania stanów mózgu
do modeli symulacyjnych na dużą skalę.
Tysiące konkretnych zjawisk ma wyjaśnienia i konkretne modele, w tym
również struktura i przyczyna powstawania wrażeń.
Brakuje zadowalającego prostego modelu obrazującego relacje pomiędzy
mózgiem i umysłem.
Model geometryczny opiera się na prostej metaforze:
Umysł jest cieniem neurodynamiki.
Modele geometryczne prowadzą do fizyki „przestrzeni mentalnych”.
Są tu ciekawe problemy matematyczne dotyczące opisu takich przestrzeni
Droga do budowy sztucznych umysłów nie jest wcale daleka.
WWW (Google “Duch”)
=> referaty, prace + wykłady:
Jak działa mózg.
Neuropsychologia
komputerowa.
Wstęp do kognitywistyki
Dziękuję za uwagę.