Kognitywistyka

Kognitywistyka:
zrozumienie umysłu
Włodzisław Duch
Katedra Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika
Department of Computer Science, School of Computer Engineering,
Nanyang Technological University, Singapore
Google: Duch
Plan
1.
2.
3.
4.
5.
Kogni ... co? Co to takiego?
Mózgi i uczenie.
Umysły i uczenie.
Inne zastosowania.
Perspektywy.
Kognitywistyka
E-ducere, „ prowadzić na zewnątrz”, tak jak w Wedach:
Z ciemności prowadź mnie ku jasności.
Edukacja = kształcenie umysłu.
Co to jest umysł? Co o nim wiemy?
Cognitio - poznawać. Kognitywistyka = nauki o poznawaniu.
Umysł jest funkcją mózgu. => Filozofia umysłu.
Jaką funkcją? => Neuronauki: neuro-biologia, neurofizjologia, neurochemia ...
Jak działa umysł? => Psychologia poznawcza, nauki behawioralne.
Komunikacja, język => Lingwistyka kognitywna, psycholingwistyka.
Jak modelować umysły? => Sztuczna inteligencja, inteligencja obliczeniowa.
Jak powstały umysły? Dlaczego tak? => Psychologia ewolucyjna i rozwojowa.
Jak zmieniały się umysły? Jak ludzie postrzegali świat w przeszłości?
Nie można wiedzieć wszystkiego o tych dziedzinach, dlatego potrzebna jest
kognitywistyka.
Kognitywistyka - historia
Próba zrozumienia umysłu: połączenie wielu gałęzi nauki.
1957
Syntactic Structures, N. Chomsky
1967
Cognitive psychology, podręcznik, U. Neisser
1972
Human problem solving, A. Newell, H. Simon
1976
pismo Cognitive Science
Szybki rozwój kognitywistyki w USA, W. Brytanii,
powolny w Europie.
W Polsce:
1998
pismo „Kognitywistyka i media w edukacji”
1999
UJ, Studia Doktoranckie
2001
PTK, czyli Polskie Towarzystwo Kognitywne
2005
Studia kongitywistyki na UAM
Inicjatywy: Kraków, Poznań, Toruń, Warszawa ...
Kognitywistyka – różne gałęzie
Czy ma już swoją tożsamość, czy jest tylko zlepkiem różnych elementów?
Kognitywna matematyka i fizyka
Kognitywistyka stanie się podstawą filozoficznego rozumienia zarówno
matematyki, fizyki jak i nauk humanistycznych.
Prawie niczego nie można zrozumieć w pełni, ignorując jednocześnie
sam aparat poznawczy, jego ograniczenia i możliwości.
Lakoff i Nunez napisali „Skąd się wzięła matematyka", opierając filozofii
matematyki na idei ugruntowania sensu pojęć w działaniu w świecie.
Równania to metafory.
Jak rozumieć słynne równanie Eulera: eip + 1 = 0? Jest tu przynajmniej 7
ważnych koncepcji matematycznych: 0, 1, +, =, p, e oraz i.
Matematycy XIX wieku sądzili, że możemy to udowodnić, ale nie
zrozumieć, ale po przeczytaniu 70 stron poświęconych analizie sensu
tego równania daje się go zrozumieć.
Od ponad 70 lat ludzie spierają się o sens mechaniki kwantowej.
Richard Feynman napisał "Nie myśl o tym, bo wpuścisz się w kanał, z
którego nikt jeszcze nie wyszedł".
Skąd coś wiemy?
Niezwykle ważne pytanie: skąd coś wiemy?
Przykład: cudowna dieta dr K, chińska medycyna ludowa (bardzo
popularna w Singapurze) i inne cuda medyczne. Skąd wiemy, że działa?
Skąd wiemy, że nasze opinie odpowiadają rzeczywistości?
Gall zauważyłem, że kształt czaszki decyduje o zdolnościach (właściwie
to Gall zauważył). Tysiące przypadków potwierdziły moje obserwacje.
=> Kranioskopia: mierzenie kształtu czaszki i określanie zdolności.
Oto mapa głównych ośrodków ...
Czy naprawdę wiem, czy tylko mi się wydaje?
Czy mogę poprzestać na niepewności, czy muszę się zdeklarować?
Niepewność pozwala się uczyć, pewność znacznie uczenie utrudnia
(widać to na modelach). Jeśli zdajemy sobie sprawę z tego, jak łatwo się
samemu oszukiwać, możemy uniknąć fanatyzmu (naukowego i nie tylko).
Pamięć i historia
Czy zawsze umysły, a w szczególności pamięć, działały tak jak teraz?
Jak np. działała pamięć w XI wieku i wcześniej? Ma to wielkie znaczenie
dla oceny źródeł historycznych, socjologii i religioznawstwa.
Arnold, bawarski mnich w 1030 roku odbył podróż do Panonii; opisując ją
parę lat później widział smoka na milę wielkiego, głowę miał jak góra,
pokryty był łuskami, wisiał na niebie przez parę godzin po czym odleciał.
Nie ma wątpliwości, że Arnold przypomniał sobie to wydarzenie.
Skąd się wzięły demony? Warto poczytać teksty Ojców Pustyni z
pierwszych wieków i prześledzić proces reifikacji psychologicznych
wrażeń we wczesnych wiekach średnich. Podobne procesy są podstawą
mitologii indyjskiej czy chińskiej.
Potrzebujemy historyków, etnografów i religioznawców - kognitywistów.
Jak działały umysły za czasów Homera? Czy świadomość w formie, jaką
znamy z codziennego doświadczenia pojawiła się w czasach
historycznych? Badania starożytnych tekstów przez Juliana Jaynesa,
psychologa z Princeton, doprowadziły go do takiego właśnie wniosku.
Duch i dusza
Czym różni się martwe zwierzę od żywego?
Uciekła z niego dusza?
Arystoteles: rzeczy nie ruszają się, bez poruszyciela. Planety i gwiazdy
popychane były przez duchy (do czasów Newtona).
Człowieka chorego należy związać, by nie uciekła z niego dusza.
Kichanie jest niebezpieczne, bo może uciec dusza (stąd „beless y
Koncepcjom ducha i duszy, bardzo potrzebnym w średniowieczu, nie da
się obecnie przypisać żadnej z funkcji, które były pierwotną przyczyną ich
wprowadzenia. Podobnie jak cieplik, odeszły do lamusa.
Trudności w zdefiniowaniu koncepcji takich jak umysł, świadomość czy
nieświadomość, nie przeszkadzają w badaniach; można np. badać
sytuacje, w których jesteśmy świadomi lub nie, oraz neurofizjologiczne
korelaty związane z procesem uświadamiania.
Neuroteologia i TMS
Szuka podstaw przeżyć religijnych w szczególnych stanach mózgu.
BBC zrobiło program telewizyjny, pisał o tym Newsweek i inne tygodniki.
Napisano już liczne książki na ten temat.
TMS, przezczaszkowa magnetyczna stymulacja, to obecnie popularna
technika stymulacji różnych obszarów mózgu, stosowana np. w leczeniu
depresji. U niektórych osób TMS wywołuje stany szczęśliwości, religijne
uniesienia, wrażenia podróżowania poza ciałem, widzenia odległych
zdarzeń i realityczne sny - oczywiście są to halucynacje.
Np. robi to urządzenie ShaktiLight, reklamowane przez współpracownika
Michaela Persingera, który napisał "Neuropsychological Base of God
Beliefs" (1987).
Około 10% osób z autyzmem ma niezwykłe uzdolnienia (idiot savant
syndrome) - grupa ekspertów z Center for the Mind w Sydney twierdzi, że
zastosowanie TMS do tłumienia aktywności różnych obszarów mózgu
aktywizuje takie zdolności u ludzi zdrowych.
Neuroetyka
Pojęcie neuroetyki ma wiele aspektów.
Neuroetyka - pierwsza konferencja w 2002 roku, Stanford Univ.
Moralność można przypisać wszystkim zwierzętom żyjącym w grupach;
zachowania społeczne mają socjobiologiczne podstawy i wynikają ze
specyficznej organizacji struktur mózgu.
Jak powstaje etyka? Trzeba zrozumieć procesy rozwojowe mózgu:
formowanie się świata wewnętrznego, przestrzeni umysłu, świata kultury.
Podstawowy proces: ocena postrzeżeń w terminach wartość/kategoria,
na poziomie emocjonalnym – robią to wszystkie mózgi.
Uczenie się następuje początkowo przez imitację i obserwację,
"rezonans" z innymi mózgami, blisko związaną z empatią.
Współ-odczuwanie, empatia, pozwala na zrozumienie stanów innych
umysłów, ich cierpienia; zaburzenia tego mechanizmu odpowiedzialne są
za psychopatię. Etyka buddyjska zbudowana jest na współ-odczuwaniu.
Neuroproblemy
Zrozumienie różnych aspektów działania
mózgu ma liczne implikacje etyczne:
Choroby psychiczne nie są już takim tabu, lekarze zastąpili egzorcystów,
halucynacje przestały być objawem świętości (nie wszędzie ...);
Skłonności do alkoholizmu czy przestępczości są uwarunkowane
genetycznie – leczyć czy karać?
Transwestytyzm, chęć zmiany płci nie jest wynikiem grzesznego wyboru
ale powstania mózgu o przeciwnej płci niż biologiczna;
Dziwne zachowania są zwykle wynikiem działania nietypowych połączeń
w mózgu, np. chęć odcięcia sobie kończyny (dysmorfia ciała) ...
Uszkodzenia płatów czołowych powodują niezdolność do zrozumienia
kontekstu społecznego swoich zachowań i zachowań aspołecznych;
Syndrom fałszywej pamięci => jak traktować wartość zeznań w sądzie?
Neuromarketing: wiem więcej o Tobie niż Ty sam(a)!
Kto powinien decydować o tym, co jeszcze jest normalne?
Mózg - ależ to bardzo proste!
Co mamy w mózgu?
Neurony, które coraz lepiej potrafimy
podglądać (oczywiście dzięki fizyce).
Świat fizyczny: konfiguracje atomów.
Świat wewnętrzny: konfiguracje pobudzeń
neuronów, struktura połączeń mózgu.
Cały mózg.
Schemat ogólny mózgu.
Ogólne zasady działania - znane;
wiele ważnych szczegółów brakuje.
Badania eksperymentalne, na ludziach i zwierzętach;
symulacje komputerowe: obliczeniowe neuronauki.
Mapy sensoryczne i ruchowe
Informacje z receptorów zmysłowych dochodzą do kory analizującej
szczegóły i wykrywającej istotne cechy.
Mapy somatosensoryczne i motoryczne - homunculus topograficzny.
Inne mapy: wzrokowe, słuchowe, koordynacji (np. SC).
Kora drugorzędowa - interpretacja sensu sygnałów zmysłowych.
Mapy kognitywne: „mapy umysłu”, interfejsy programowe.
Uczenie - reguła Hebba
„Kiedy akson komórki A jest dostatecznie blisko by pobudzić komórkę B
i wielokrotnie w sposób trwały bierze udział w jej pobudzaniu, procesy
wzrostu lub zmian metabolicznych zachodzą w obu komórkach tak, że
sprawność neuronu A jako jednej z komórek pobudzających B, wzrasta.”
D. O. Hebb, 1949
Fizyczne zmiany struktury
mózgu w czasie uczenia.
Na poziomie molekularnym:
LTP - Long Term Potentiation
LTD - Long Term Depression
E. Kandel, Nobel 2000
Trzeba uważać, co się do mózgu wpuszcza!
Jeśli sieczkę to zrobi się nam sieczka!
Pamięć epizodyczna
Pamięć średnioterminowa zapisana
jest w sieciach hipokampa, jako (?)
łącza do tych kolumn kory, które
powinny być jednocześnie aktywne.
Układ neuromodulacji reguluje
plastyczność hipokampa i kory.
Pamięć trwała jest rezultatem wzajemnych pobudzeń minikolumn kory
mózgu, zapisana jest w synapsach w sposób rozproszony.
Pamięć epizodyczna - odtworzenie stanu mózgu w momencie epizodu,
„zamrożona przeszłość”.
Neurochemia umysłu
Pobudzanie neuronów i zmiany w mózgu w czasie zapamiętywania:
wymagają neurotransmiterów i neuromodulatorów.
Acetylocholina: pobudza jedne obszary, hamuje inne.
Poprawia pamięć, pomaga w analitycznym myśleniu.
Zbyt wiele: depresja, brak selektywności, autyzm.
Dopamina: ogólne pobudzenie, aktywność ruchowa.
Poprawia sprawność pamięci roboczej, kojarzenie,
nastrój, zwiększa pobudliwość emocjonalną.
Zbyt wiele: euforia, chaos myślowy, halucynacje.
Kwas glutaminowy, serotonina, epinefryna,
norepinefryna, GABA, NO, CO ...
Środki nootropowe, „smart drinks”: aminokwasy,
prekursory ACh i innych neurotransmiterów.
Neuropsychologia
Mózg jest niezwykle złożony, więc trudno o mózgi doskonałe.
Wiele problemów z uczeniem się ma podłoże neurobiologiczne.
Rozwój:
niewłaściwa stymulacja sensoryczna, niewłaściwe odżywianie, błędy
genetyczne i problemy immunologiczne => nieodwracalne zmiany,
upośledzenia senso-motoryczne, emocjonalne, intelektualne, społeczne.
Head Start - programy w USA pobudzania rozwoju niemowląt, głównie
zabawa z rodzicami, b. dobre rezultaty.
Uczenie czytania:
prawidłowe widzenie: rozpoznawanie liter i układu liter;
prawidłowe słyszenie: identyfikacja fonemów i ich układu; 2/3 różnic
poziomu czytania u 11-latków wynika z ich zdolności percepcyjnych!
Konieczna jest wczesna identyfikacja problemów i trening percepcyjny.
Wzrok
Kontrola + koordynacja ruchów gałki ocznej u dyslektyków często nie jest
stabilna - czytanie jednym okiem może być łatwiejsze.
Szlak wielkokomórkowy również w układzie słuchowym, stąd skorelowane
zaburzenia rozwojowe: genetyczne, immunologiczne, dietetyczne.
Neuroestetyka
Neuronauki wkraczają w wiele pozanaukowych dziedzin.
Neuroestetyka, czyli próba zrozumienia, co i dlaczego naszym mózgom
wydaje się piękne, rozwinęła się w ostatnich kilku latach, powstał Instytut
Neuroestetyki (założycielem jest Semir Zeki z Londynu); UC Berkeley ma
zakład neuroestetyki.
Neuroestetyka opiera się na wiedzy o działaniu układu wzrokowego,
słuchowego i pozostałych układów zmysłowych: artysta prowadzi
eksperymenty naukowe, mające na celu ujawnienie sposobu działania
układu nerwowego: kolor, segmentacja, dynamika, ruch, złudzenia,
wszystkie te elementy były i są eksplorowane przez sztukę.
Dlaczego już jaskiniowcy malowali na ścianach?
Dlaczego dzieła muzyczne lub dzieła sztuki wywierają na nas wrażenie?
Kognitywne zabawki
Inteligentne zabawki i programy komputerowe mogą uczyć bawiąc.
Stymulacja rozwoju układów percepcyjnych u
niemowląt, pobudzające rozwój mózgu; zabawki o
coraz większej sprawności motorycznej i
inteligencji, zdolne do rozpoznawania naszych
emocji i własnej ekspresji emocji.
Ergonomika
Komunikacja człowiek-maszyna, lub człowiek-komputer (HCI):
jak zbudować urządzenie lub program komputerowy, który da
się łatwo używać?
Symulator układu poznawczego EPIC pozwala na przewidywania.
Szukanie informacji
Internet: miliardy stron zawierających potencjalnie użyteczną informację.
Szukarki: trudno coś znaleźć, dużo śmieci.
Mapy informacyjne: tworzone automatycznie, wzorowane na
organizacji map topograficznych w mózgu.
„Agent programowy”: program rozsyłany w sieci, mający swoje cele i
metody szukania informacji.
Integracja informacji z wielu źródeł, automatyczne tłumaczenie.
Najprostsze: agenci sprawdzający oferty sklepów.
Osobisty asystent: nasz dublet, awatar, który w naszym imieniu będzie
załatwiał sprawy przez Internet.
Mieszkańcy infosystemów: agenci lub infohabitanci, wymieniający
informacje i wspólnie rozwiązujący problemy.
Sztuczna inteligencja
Rozumieć to potrafić zbudować!
Wiele modeli kognitywnych: SOAR, Oscar, Cog ...
Symboliczne podejścia do modelowania umysłu:
A. Newell, Unified theories of cognition (1990).
Definicja:
Umysł jest systemem kontrolnym, określającym zachowanie się
systemu przy oddziaływaniach ze złożonym, zmiennym w czasie
środowiskiem.
Umysł = zbiór wielu współdziałających ze sobą podsystemów.
Umysł działa w oparciu o zgromadzoną wiedzę.
Inteligencja: zdolność do wykorzystania zgromadzonej wiedzy.
Opis działania systemu w oparciu o zgromadzoną wiedzę jest
użytecznym przybliżeniem do sposobu działania prawdziwego umysłu.
Architektury poznawcze
Modele działania umysłu na poziomie „wyższych czynności
poznawczych”: myślenia, rozumowania, roziwązywania problemów.
„Centrum” teorii kognitywnych: Act-R, SOAR, IDA ...
Np: własności pamięci, kolejność odpowiedzi i przypominania,
uczenia się nowych słów, uczenia się elementów programowania i
rozumowań geometrycznych w czasie dowodzenia twierdzeń.
System jest zbyt skomplikowany by można było przeanalizować
teoretycznie jego zachowanie, pozostają jedynie symulacje
komputerowe.
Model ACT to baza do tworzenia programów wspomagających
nauczanie arytmetyki, algebry, geometrii, pisania, programowania.
Cognitive Tutor™ for Writers
Testy w szkołach Pensylwanii dały bardzo dobre wyniki: nawet o 100%
lepsze dla niektórych kursów, czas nauki do 1/3 krótszy.
Komercyjna firma: http://www.carnegilearning.com
Środowiska wirtualne
Awatary mogą nauczać w środowiskach wirtualnych.
STEVE - „agent pedagogiczny”, oparty na modelu SOAR (uczenie
symboliczne, porcjowanie, tworzenie przestrzeni problemów).
Środowisko wirtualne - grafika,
„łatwe” do zaprogramowania.
Trudne:
model umysłu ucznia;
system konwersacji w języku
naturalnym;
rozumienie pytań,
zdrowy rozsądek.
Rozwiązywanie problemów
Myśl!
Łatwo powiedzieć, trudno zrobić?
Jak myśli mózg?
Zrobić miejsce, wprowadzić informację.
Informacja trafia do obszarów mózgu,
które potrafią na nią zareagować.
Odpowiedź „przychodzi nam do głowy”
Wniosek: nie trzeba mózgowi
przeszkadzać wysilając się.
Najważniejsze jest skupienie, nastawienie
i dobre podstawy, cegiełki wiedzy.
Koncentracji trzeba się uczyć!
Ekologia umysłu
Mity:
•
•
•
duch nad materią - bardzo bym chciał ...
powszechna równość - oczywiste różnice w genach;
powszechna sprawiedliwość - niestety ...
Realia
•
•
•
Łatwo zniszczyć, trudno stworzyć;
umysły skrzywione - geny, środowisko;
przyzwyczajenie jest łatwe, odwyk jest trudny.
Jak chronić umysły przed niszczeniem przez środowisko, media,
szkołę ... ?
•
•
•
•
•
Nauka krytycznej oceny, sceptycyzmu;
zrozumienie ludzkich reakcji, potrzeb;
nauka skupienia i odpowiedniego nastawienia;
wrażliwość, empatia, współ-czucie;
zrozumienie i wzmacnianie naturalnych talentów.
Perspektywy
Sci-fi: dzikusy w kosmicznej przestrzeni?
Czy wojny to wszystko, na co ludzkość stać?
Jakie są prawdziwe potrzeby człowieka?
Jak wpływać na jego rozwój by był szczęśliwy i
rozwinął w pełni swoje możliwości?
Nadchodzą wielkie zmiany, a nasze myślenie nadal zakorzenione jest w
głębokiej przeszłości ...
Zrozumienie umysłu, natury ludzkiej, jest możliwe.
Uczymy się zmieniać nasze umysły, mózgi, korzystać z wiedzy o naszej
aparaturze poznawczej.
Biologiczne podstawy uczenia: sprawne działanie mózgu, percepcji,
pamięci.
Kognitywistyka stanie się najważniejszą z nauk w niedalekiej przyszłości.