Neurony i dusza

Neurony i dusza
Włodzisław Duch
Katedra Informatyki Stosowanej
Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Toruń
Google: W Duch
3. Tydzień Mózgu (Brain Awareness Week), Poznań, 15.03.2011
Funkcje i regiony
Lokalizacja:
Czy każdy obszar mózgu
ma ustalone zadania,
a każde zadanie
realizowane jest przez
podzbiór aktywnych
obszarów?
Holizm:
Czy cały mózg pracuje
jednocześnie nad
każdym zadaniem, a
regiony mają w
znacznym stopniu
wymienne funkcje?
3
3
1
5
2
6
5
1
2
6
4
4
Recycling ?
M. Anderson, Neural reuse: a fundamental
organizational principle of the brain.
BBS 33, 245–313 (2010)
Obszary mózgu specjalizują się, ale ich funkcje mogą być
częściowo przejmowane przez inne obszary.
Złożone programy komputerowe zbudowane są często z
fragmentów, które pierwotnie służyły innym celom i nadal
służą, ale pełnią też nowe funkcje w innym kontekście.
Podstawowa zasada organizacyjna mózgu to ewolucyjny
recycling!
Istniejące systemy zachowując swoją pierwotną funkcję mogą
stać się użyteczne w nowy sposób w innym kontekście
(podsieci).
Kiedy powstają świadome wrażenia?
Konieczna aktywność kory zmysłowej, np. V4=kolor, MT/V5=ruch.
Strumienie wstępujące i zstępujące łączą się, tworząc stany rezonansowe.
Co dzieje się gdy przepływ infromacji w jedną ze stron jest słaby?
C. Gilbert, M. Sigman, Brain States: Top-Down Influences in Sensory
Processing.
Neuron 54(5), 677-696, 2007
Przetwarzanie informacji ze zmysłów w korze i wzgórzu podlega silnym
wpływom "odgórnym", w których złożone hipotezy zmieniają procesy na
niskim poziomie. Kora funkcjonuje jako system adaptacyjny, zmieniając
aktywność pod wpływem uwagi, oczekiwań, zadań związanych z percepcją.
Stany mózgu tworzą się przez interakcję pomiędzy wieloma obszarami, w
tym modulację lokalnych mikro-obwodów przez sprzężenia zwrotne.
Zakłócenia tego przepływu informacji mogą prowadzić do zaburzeń
behawioralnych.
Dehaene i inn, Conscious, preconscious, and subliminal processing. TCS
2006
Trajektorie umysłu
Aktywność i synchronizacja pobudzeń przebiega różnymi drogami, w
modelach możemy badać dynamikę tego procesu w czasie rozpatrywania
pojęcia: za każdym razem kontekst + historia prowadzą do nieco innych
aktywacji.
Pojęcie = kategoria stanu
mózgu, ale ten stan jest
niepowtarzalny.
Symbol = etykieta dla w miarę
podobnych stanów.
Każdy punkt reprezentuje tu
rozkład aktywacji w 140
obszarach mózgu,
wizualizacja zachowuje relacje
podobieństwa, widać baseny
atrakcji.
Nieświadome wybory
Nijmegen Unconscious Lab,
http://www.unconsciouslab.com
Unconscious Thought Theory (UTT, 2006).
Dijksterhuis & Nordgren, Perspectives on Psychological
Science
Czy racjonalnie podejmowane decyzje są najlepsze?
•Większość myślenia odbywa się nieświadomie;
•kreatywność wymaga nieświadomego myślenia;
•podejmowane decyzje są często bardziej zadawalające,
szczególnie w skomplikowanych przypadkach.
Efekt wzrasta gdy alternatywy prezentowane są krótko,
informacje zawierają obrazy i są zblokowane dla każdej
możliwości wyboru.
Co o sobie wiemy?
Eric Schwitzgabel: niewiele!
http://www.faculty.ucr.edu/~eschwitz/
Perplexities of Consciousness, MIT Press (2011).
Describing Inner Experience? Proponent Meets
Skeptic, (with Russell T. Hurlburt, MIT Press 2007).
Czemu introspekcja tak nam niewiele powiedziała o
naturze umysłów? Czemu tak trudno jest ustalić,
jakie są nasze doznania? Które zmysły są źródłem
informacji? Czy sny mają kolory i są w nich dźwięki?
Czy są myśli bez mentalnych obrazów?
Co właściwie wiem gdy nie mogę sobie
przypomnieć ani nazwy ani obrazu, ale wiem o co
chodzi?
Mózgopodobne systemy
•
•
•
•
Stany mózgu to czaso-przestrzenne, fizyczne pobudzenia neuronów.
Widzę, słyszę, czuję ... stany mojego mózgu! Np: ślepota zmian.
Procesy kognitywne działają na mocno przetworzonych perceptach.
Czerwień, słodycz, swędzenie, ból ... to stany fizyczne mózgu.
W odróżnieniu od rejestrów komputera stany mózgu są dynamiczne,
zawierają w sobie potencjalne relacje i skojarzenia.
Świat wewnętrzny jest rzeczywisty!
Stany umysłu są ”cieniem” neurodynamiki, zmian
stanów mózgu, pamięci roboczej.
Komputery i automaty nie mają podobnych
stanów, ale da się stworzyć sztuczne systemy
o podobnej architekturze.
Światełko w prawej półkuli to moment „Eureka!”
Bowden & Jung-Beeman 2007; Brain activity at
the moment of insight, PLoS Biology, 2004.
Gdzie dokładniej jest Ja?
C.L. Heatherton i inn, Medial prefrontal activity differentiates self from
close others. Social Cognitive & Affective Neuroscience 1, 18-25, 2006.
Oceny odnoszące się do siebie i bliskich osób różnią się w sposobie
aktywacji grzbietowej przyśrodkowej kory przedczołowej (DMPFC)
i przedniej części kory zakrętu
obręczy (AC). Reprezentacja
neuronalna „ja” odróżnia się od
reprezentacji innych, chociaż jest
podobna do reprezentacji osób
bliskich.
„Ja” w relacji do innych = rola
społeczna.
A może jednak?
Nie ma żadnych szans na to by jakaś
wersja tradycyjnego poglądu okazała się
słuszna: wola jest wynikiem
nieświadomych procesów w mózgu.
David Hume (1739): „Wola to nic innego
jak wewnętrzne wrażenie, którego
jesteśmy świadomi kiedy wiedząc co
robimy zapoczątkowujemy nowy ruch
jakiejś części ciała lub nowe postrzeżenie
w swoim umyśle”.
Kompatybilizm: za wolne uznajemy tylko te zdarzenia mentalne, które są
zgodne z intencjami, wierzeniami, pragnieniami czy uczuciami danej osoby,
jeśli nie działamy pod przymusem innych ludzi czy sytuacji
(Hume, „Traktat o naturze ludzkiej”, 1739).
Działania wynikają z charakteru i dyspozycji danej osoby, intencji,
przekonań, emocji ... Możliwy jest też przymus wewnętrzny, np. w
przypadku nałogów czy kleptomanii. A może zawsze jest przymus?
Mózg i wola
Czy jesteśmy zatem bezwolni? Źle to wpłynie na motywacje
…
Wszystko to tylko mechaniczne procesy, nie ma ‚ja’, które
tym kieruje? Zależy, jak rozumiemy to ‚ja’.
Jakie są opcje? Naiwna, całkiem bezwolna i refleksyjna.
Wola
Wola
Mózg
Geny
Środowisko
Fluktuacje
Zachowanie
Świadomość+J
a
Świadomość
Świadomość
Mózg
Mózg
G
Ś
F
Zachowanie
G
Ś
F
Zachowanie
Przestrzenie umysłu
Aktywność mózgu =>
siec grup neuronów =>
neurodynamika => trajektoria A(t) w
„przestrzeni aktywacji”.
Strumień świadomości
=> przestrzeń umysłu, własności
dostępne introspekcji
=> trajektoria umysłu M(t).
Stan mózgu stan umysłu
A(t) ~ M(t)
Cavendish Lab
J.C. Maxwell był pierwszym
profesorem Cavendish,
Rayleigh, Thomson, Rutherford,
Bragg, Mott ... mieli tam 28
noblistów!
Brian Josehpson (Nobel 1973), efekt J, MEG
Mind–Matter Unification Project: to
understand, from the viewpoint of the
theoretical physicist, what may loosely be
characterised as intelligent processes in
nature, associated with brain function or with
some other natural process.
Struktura i funkcja
Przestrzeń neuronalna
Aktywność kory zmysłowej => wrażeń, w tym myśli.
Strumienie informacji
kora zmysłowa skojarzeniowa
tworzą kwazistabilne stany w mózgu, można je odróżnić od
szumu.
Korelacja aktywności neuronów w korze V1 z obrazem
padającym na siatkówkę jest słaba (~10%), większość to
pobudzenia wewnętrzne: wiesz co widzisz, widzisz co wiesz.
Świat postrzegany to wytwór naszej wyobraźni!
To tylko nasz umysł się porusza … każdemu nieco inaczej.
Nasze przeżycia osobiste nie są świadectwem obiektywnych
zdarzeń, świadkowie rzadko są wiarygodni.
Moc i złożoność
• Jak wszyscy wiedzą używamy tylko
10% swojego mózgu …
Moc mózgu w spoczynku to ~ 20 Watów.
• 100% to 200 Watów, robi się ciepło ...
• W czasie pracy zużywamy tylko 5% więcej energii.
• Naprawdę w danej chwili czasu zewnętrzne
bodźce aktywują nie więcej niż 1% wszystkich
neuronów, ale ciągle innych.
• 100% to 2000 Watów … mózg szybko wyparuje.
Złożoność organizmu: DNA 100 mld km, 666x ZiemiaSłońce!
Złożoność mózgu: 1014 synaps, 1015 operacji/sek!
Złożoność umysłu? W porównaniu z pracą mózgu
Skąd wiem o sobie?
• Część to obserwacja skutków mojego działania,
korelacja ruchu i percepcji.
• Enaktywizm: działaj, eksploruj, to będziesz wiedział …
• Część to wewnętrzny przepływ informacji.
• Teoria umysłu (ToM): wnioskuję o stanach mentalnych
innych (obserwacje zewnętrzne, neurony lustrzane) jak i
swoim własnym (obserwacje wewnętrzne).
Pierwsze przykazanie naukowców:
• Nie będziesz stawiać swoich wyobrażeń (czcić
fałszywych bożków) przed Rzeczywistością.
Słowa w mózgu
Rozumienie pojęciowe .. czym są pojęcia?
Sygnał akustyczny => fonemy => słowa => koncepcje
semantyczne.
Aktywacje semantyczne ~ 90 ms po fonologicznych (N200
Sieci działania –
ERPs).
postrzegania,
wnioski z badań
ERP i fMRI.
Pulvermuller (2003) The Neuroscience of Language. On Brain
Circuits of Words and Serial Order. Cambridge University Press.
Duch W, Matykiewicz P, and Pestian J, Neurolinguistic Approach
to Natural Language Processing with Applications to Medical
Text. Neural Networks 21(10), 1500-1510, 2008
Trajektorie umysłu
Aktywność i synchronizacja pobudzeń przebiega różnymi drogami, w
modelach możemy badać dynamikę tego procesu w czasie rozpatrywania
pojęcia: za każdym razem kontekst + historia prowadzą do nieco innych
aktywacji.
Pojęcie = kategoria stanu
mózgu, ale ten stan jest
niepowtarzalny.
Symbol = etykieta dla w miarę
podobnych stanów.
Każdy punkt reprezentuje tu
rozkład aktywacji w 140
obszarach mózgu,
wizualizacja zachowuje relacje
podobieństwa, widać baseny
atrakcji.
Mózg jako substrat
• W mózgu są tylko elektryczne impulsy, a nie obrazy czy dźwięki.
Musimy się wszystkiego nauczyć, nawet tego, jak unikać synestezji, jak
odróżniać od siebie modalności zmysłowe, czy słyszę czy czuję dotyk?
• Mózg jest substratem, w którym może powstać świat umysłu, labirynt
wzajemnych aktywacji. Świadome wrażenia to cień neurodynamiki.
• Filozofia i psychologia opisuje naiwne wyobrażenia oparte na pojęciach
nie przystających do rzeczywistości.
• Czy da się opisać werbalnie stany mózgu z subiektywnego punktu
widzenia? Gdybyśmy mieli doskonały model mózgu, czy dałoby się
przewidzieć jego działanie w każdym kontekście?
Myśl: czas, częstość, miejsce, energia
Pasley et al. Reconstructing Speech from Human Auditory
Cortex
PLOS Biology 2012
Wiem 10 sekund wcześniej!
C.S. Soon, M. Brass, H-J. Heinze & J-D. Haynes,
Unconscious determinants of free decisions in the human brain.
Nature Neuroscience, April 2008.
”There has been a long controversy as to
whether subjectively 'free' decisions are
determined by brain activity ahead of time.
We found that the outcome of a decision
can be encoded in brain activity of
prefrontal and parietal cortex up to 10 sec
before it enters awareness.
This delay presumably reflects
the operation of a network of
high-level control areas that
begin to prepare an upcoming
decision long before it enters awareness.”
Mózg i Ja
• Mózg ma mnie, nie ja mam mózg.
• To mózg widzi i czuje, wszystkie nasze wrażenia i myśli są
jego wytworem.
Wnioski biologów:
•Jesteśmy „mechanicznymi siłami
natury” (A.R. Cashmore, PNAS
2010), wolna wola to kontynuacja
wiary w witalizm.
•Nie jesteś niczym innym jak
pęczkiem neuronów (F. Crick).
•Jesteś swoimi synapsami
(J. LeDoux).
Od genów do neuronów
Geny => Białka => Receptory, kanały jonowe, synapsy
=> własności neuronów, własności sieci =>
neurodynamika => fenotyp kognitywny, zaburzenia zachowania!
Od neuronów do zachowania
Geny => Białka => Receptory, kanały jonowe, synapsy
=> własności neuronów, własności sieci
=> neurodynamika => fenotyp kognitywny, zaburzenia
Czym jest świadomość?
• Czy warto zajmować się definicją świadomości?
Tak, bez definicji nie wiemy o czym mówimy.
• Problem: „świadomość” używana jest w zbyt wielu znaczeniach, w
różnych językach inaczej.
• Pojęcia „silnie uwarunkowane kulturowo” nie dają się łatwo
zdefiniować, większość pojęć dających się bezpośrednio związać z
działaniem w świecie jest słabo uwarunkowana kulturowo.
• Świadomość jest pojęciem silnie uwarunkowanym kulturowo.
• John Locke (1632-1704): świadomość to „percepcja tego, co dzieje się
we własnym umyśle”.
• WD: świadomość jest więc rezultatem możliwości posiadania wrażeń i
posiadania przekonań, że się ma te wrażenia.
Kiedy powstają świadome wrażenia?
Konieczna aktywność kory zmysłowej, np. V4=kolor,
MT/V5=ruch.
Strumienie
wstępujące i zstępujące łączą się, tworząc stany rezonansowe.
Co dzieje się gdy przepływ infromacji w jedną ze stron jest słaby?
C. Gilbert, M. Sigman, Brain States: Top-Down Influences in Sensory
Processing.
Neuron 54(5), 677-696, 2007
Przetwarzanie informacji ze zmysłów w korze i wzgórzu podlega silnym
wpływom "odgórnym", w których złożone hipotezy zmieniają procesy na
niskim poziomie. Kora funkcjonuje jako system adaptacyjny, zmieniając
aktywność pod wpływem uwagi, oczekiwań, zadań związanych z percepcją.
Stany mózgu tworzą się przez interakcję pomiędzy wieloma obszarami, w
tym modulację lokalnych mikro-obwodów przez sprzężenia zwrotne.
Zakłócenia tego przepływu informacji mogą prowadzić do zaburzeń
behawioralnych.
Dehaene i inn, Conscious, preconscious, and subliminal processing. TCS
2006
Symulacja całego mózgu
Czy możliwa jest symulacja całego mózgu lub
budowa sztucznego mózgu w oparciu o
elementy elektroniczne lub optyczne?
•Komplikacja mózgu jest wielka:
10 mld neuronów i 100 trylionów połączeń.
Taka złożoność będzie osiągalna w symulacjach za parę lat!
•Wiemy dostatecznie dużo by zbudować symulator głównych
struktur mózgu, rozwijanego przez interakcję z otoczeniem,
uwzględniającego szczegóły neurobiologiczne w
odpowiednio uproszczony sposób.
•Chociaż nie rozumiemy wszystkich szczegółów lotu ptaków,
ale potrafimy budować samoloty; czy potrzebujemy
wszystkich szczegółów budowy mózgu do budowy
sztucznego?
•Kilka dużych projektów: mózg na memristorach (USA),
Dokąd to prowadzi?
Czy proces modelowania zbiegnie się do czegoś
autentycznego, czy tylko do sprytnego kalkulatora?
Jak się ma symulacja myślenia do „myślenia prawdziwego”?
Czy z cyfrowej chmury spadnie mokry deszcz?
Czy przyszły AIBO będzie miał psi umysł,
a przyszły Kismet jak David z filmu AI?
Niemożliwe? Czego więc brakuje?
Allan Turing: świadomość to źle zdefiniowana koncepcja;
wystarczy dostatecznie dobrze imitować umysł by nim być!
Czy taka imitacja będzie czymś świadoma swojego wewnętrznego świata,
czy będzie zombi, wykonującym swój program?
Wielu filozofów umysłu (Jackson, Nagel, Searle, Chalmers ... )
próbowało wykazać, że jest tu jakiś magiczny czynnik ...
Nie mamy dobrych argumentów ograniczających możliwości maszyn.
Nauka
Nie wolno tylko człowiekowi trwać w błędzie, nie usiłując się przekonać o
tym, jaka jest prawda.
Jan Paweł II, Przekroczyć próg nadziei, str. 143.
Jak możemy się przekonać?
Nauka: system otwarty, systematyczne
próby podważania ustalonych
przekonań, weryfikacja empiryczna,
wyjaśnienia przyczyn, konsekwencje
praktyczne.
Czy można nie wierzyć w fizykę?
Jeśli ktoś nie wie jak działa telefon i
komputer nie powinien nic mówić o
znacznie bardziej złożonych procesach
biologicznych, o psychologii, naturze
ludzkiej czy świadomości.
Sprzeczności
Żeby uniknąć sprzeczności między nauką i wiarą teolodzy musieliby
poznać neuronauki, być może zmienić niektóre interpretacje.
Uczymy się wykorzystując to, co już wiemy.
Pojęcia starożytne zostały przez naukę odrzucone, ale w teologii są
nadal obecne; teolodzy będą więc oceniać naukę przez pryzmat pojęć jej
obcych. Echa starożytnych poglądów:
Katechizm, 1764: Nasz Pan wskazuje na serce
człowieka jako na źródło, z którego wypływają uczucia.
Z kontekstu nie wynika, że to metafora … psychologia
i anatomia w tym stylu prowadzi do magicznego obrazu
świata, parapsychologii. Przykład ze strony teologia.pl:
... wpływem inteligentnych złych duchów można też wyjaśnić wiedzę
niektórych dzieci twierdzących, że kiedyś żyły w innych miejscach, które
potrafią dokładnie i w prawdziwy sposób opisać, chociaż nigdy tam nie
były.
Mózgi i religijność
„Nikt nie może wysłużyć sobie pierwszej łaski, która znajduje się u
początku nawrócenia”.
Wiara nie jest decyzją, którą można podjąć świadomie.
D. Kapogiannis, A.K. Barbey, M. Su, G. Zamboni, F. Krueger, J. Grafman,
Cognitive and neural foundations of religious belief. Proc Natl Acad Sci
USA. 2009 March 24; 106(12): 4876–4881.
Schemat pozwalający na zrozumienie poznawczych i neuronalnych
podstaw religijności. Badano reakcje dla 3 ważnych składowych
religijności:
•poczucia obecności Boga w życiu (poddanie się woli bożej),
•emocji (Bóg wybacza, miłość i gniew – na zdjęciu r-MFG, l-MTG),
•wiedzy doktrynalnej, przekonań intelektualnych i doświadczenia
własnego.
fMRI lokalizuje te składowe religijności w obszarach odpowiedzialnych za
intencje i emocje, teorię umysłu, abstrakcyjną semantykę i wyobraźnię.
V. Saroglou, Religiousness as a Cultural Adaptation of Basic Traits: A FiveFactor Model Perspective. Personality & Social Psych. Rev 14, 108-125,
Religia i ekonomia
Byt kształtuje świadomość: jest wyraźna korelacja
między dochodami i religijnością. USA (i Singapur?) jest
wyjątkiem, ale to jedyny kraj rozwinięty bez ubezpieczeń
zdrowotnych.
Ewolucja
W przesłaniu do Papieskiej Akademii Nauk (1996)
Jan Paweł II zapewnił, iż ewolucyjna teorią powstania człowieka da się
pogodzić z chrześcijańską koncepcją stworzenia.
Stwierdzenie: „teoria ewolucji jest czymś więcej niż hipotezą” zostało
wyrwane z kontekstu – dusza duchowa ma być z tej ewolucji wyłączona.
Jeśli zamienić słowa duch i dusza na umysł to w metaforycznym sensie
stwierdzenie „człowiek to duch ucieleśniony, czyli dusza, która się wyraża
poprzez ciało” można uznać za zgodne z nauką.
Mózg jest substratem, w którym mógł powstać niematerialny umysł.
Umysł wyraża się przez ciało, jest skomplikowaną funkcją organizmu.
Czy godność człowieka wymaga boskiej ingerencji?
W całym znanym świecie człowiek ma największe możliwości rozwoju,
rozbudowane życie wewnętrzne, jest niepowtarzalną jednostką, której
wychowanie zajmuje bardzo długi okres czasu.
Czy ateiści lub buddyści nie mają poczucia godności?
Ewolucja cd.
Gatunki mogły ewoluować, doskonalić się, jednak autorem
mądrości i celowości tych zmian był Stwórca.
Niestety, człowiek jest marnie zaprojektowany…
Neil H. Shubin, Nasze zimnokrwiste ciała.
Świat Nauki 2/2009.
Człowiek nie stoi poza ewolucją, pełne
zrozumienie zarówno budowy ludzkiego
organizmu jak i ludzkiej psychiki jest możliwe
tylko w oparciu o perspektywę ewolucyjną.
Czego można się było spodziewać po
większym mózgu jeśli nie bardziej skomplikowanej psychiki?
Od naczelnych do człowieka droga jest krótsza niż dla wielu gatunków.
Złudną jest nadzieja, że nauka załamie się, nie wyjaśni zagadnień
związanych z psychiką, świadomością, powstawaniem wrażeń, czy
moralnością, i będzie można tam wcisnąć Boga i duszę.
Coraz ostrzej …
F. Crick krótko przed śmiercią powiedział
(Cashmore, 2010):
Myślę, że moje życiowe decyzje były
wynikiem procesów deterministycznych …
Wyobraźnia zbudowana na błędnych
podstawach nigdzie nas nie zaprowadzi.
Anthony R. Cashmore, PNAS 107, 4499-4504, 2010.
Jesteśmy „mechanicznymi siłami natury”.
Wiara w wolną wolę podobna jest do wiary religijnej, jest to kontynuacja wiary w
witalizm, odrzuconej 100 lat temu.
Nie uważa tego za pesymistyczne, raczej otwiera drogę do postępu socjotechniki.
Wszyscy jesteśmy niewinni, ale jeśli łamiemy prawo trzeba nas adekwatnie ukarać
tak, by było to działanie wychowawcze.