Wykład 1 Neuropsychologia komputerowa Wstęp, organizacja, o czym to będzie Włodzisław Duch UMK Toruń Google: Duch (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Mózgi ... Najbardziej interesujące i najbardziej złożone obiekty w znanym wszechświecie ... Jak można zrozumieć działanie mózgu? Na jakim poziomie się do tego zabrać? Zewnętrzny opis niewiele da. Jak można zrozumieć działanie telewizora lub komputera? Eksperymenty nie mogą kontrolować wszystkich parametrów, konieczny jest schemat i zrozumienie zasad działania. Aby się upewnić, że rozumiemy jak działa, trzeba zrobić model. Modele fizyczne biologicznych układów są trudne ale możliwe! (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Komputery ... Blue Gene z 2048-procesorami do symulacji 1 sek aktywności pierwotnej kory wzrokowej pokrywającej 9º pola wzrokowego potrzebował 80 min, czyli działa prawie 5000 razy wolniej ... za wolne? Neurogrid, liczący z szybkością kory w analogowy sposób – za 5 lat? http://www.stanford.edu/group/brainsinsilicon/neurogrid.html Extended analog supercomputer, będzie się nadawał do symulacji NN? http://info.uwe.ac.uk/news/uwenews/article.asp?item=859&year=2006 Komputery kwantowe, w sprzedaży od 2008 roku? http://www.dwavesys.com/ Intel: 80 rdzeni, 1 Teraflop w PC. Warto zacząć myśleć już teraz jak wykorzystać takie zabawki ... (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Jak patrzeć na mózg? Zależy to od pytań, na które chcemy znaleźć odpowiedź. Riken Brain Science Institute, Riken, Japonia: trzy obszary badań - ochronić, zrozumieć i stworzyć mózg. Różne obszary, różne pytania, potrzebne są różne odpowiedzi. Ochrona: psychiatria, farmakologia, zadają pytania podstawowe o mechanizmy molekularne, rolę różnych substancji chemicznych, elementarne procesy i ich związek z zachowaniem. Neurochirurgia: głównie urazy i guzy, ale trzeba trochę rozumieć jak to wszystko działa by nie uszkodzić istotnych ośrodków. Psychoterapia, umysłowa gimnastyka, medytacja ... Psycho-neuro-immunologia: skomplikowane oddziaływania na różnym poziomie, też pomagają chronić mózgi. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Jak zrozumieć mózg? Zrozumieć: zredukować do prostszych mechanizmów? Jakich mechanizmów? Analogii z komputerem? RAM, CPU? Logika? To marne analogie. Psychologia: najpierw trzeba opisać zachowanie, poszukuje wyjaśnień najczęściej na poziomie opisowym, ale jak je zrozumieć? Redukcjonizm fizyczny: mechanizmy mózgu. Na wiele pytań można odpowiedzieć tylko z perspektywy ekologicznej i ewolucyjnej: dlaczego świat jest taki, jaki jest? Bo taki się zrobił ... Dlaczego kora ma budowę kolumnową i warstwową? Dlaczego jedzenie bulw ignamu w czasie pory deszczowej stanowi religijne tabu w Afryce Zachodniej? O dziwo, na to pytanie można odpowiedzieć na poziomie molekularnym! Stworzyć: co trzeba wiedzieć by stworzyć sztuczny mózg? (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Od molekuł ... 10-10 m, poziom molekularny: kanały jonowe, synapsy, własności błon komórkowych, biofizyka, neurochemia, psychofarmakologia; umysł z perspektywy molekuł (Ira Black, 1994)? 10-6 m, pojedyncze neurony: neurochemia, biofizyka, LTP, LTD, neurofizjologia, neuronauki obliczeniowe (CS), modele neuronów, detektory specyficznej aktywności, emergencja. 10-4 m, małe sieci: synchronizacja aktywności neuronów, rekurencja, neurodynamika, układy wielostabilne, generatory wzorców, zwoje neuronów, efekty pamięci, zachowania chaotyczne (semi-liquid state), „kod neuronowy” (kodowanie informacji); neurofizjologia ... 10-3 m, funkcjonalne grupy neuronów: kolumny korowe (104-105), synchronizacja grup, kodowanie populacyjne, mikroobwody, Local Field Potentials, zapisy wieloelektrodowe, neurodynamika wielkiej skali, neuroanatomia i neurofizjologia. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

… do zachowania 10-2 m, sieci mezoskopowe: mapy czuciowo-ruchowe, kodowanie populacyjne, samoorganizacja, teorie pola średniego, teorie ośrodków ciągłych, EEG, MEG, metody obrazowania PET/fMRI ... 10-1 m, pola transkorowe, obszary funkcjonalne mózgu: uproszczone modele kory, struktury podkorowe, działania sensomotoryczne, integracja funkcji, wyższe czynności psychiczne, pamięć robocza, świadomość; (neuro)psychologia, psychiatria komputerowa ... Zjawiska poznawcze Zasady oddziaływań Mechanizmy neurobiologiczne (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Poziomy opisu Podsumowanie (Churchland, Sejnowski 1988) (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Poziom systemowy (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

… do umysłu Teraz zdarza się cud ... 1 m, CUN, cały mózg i organizm: powstaje świat wewnętrzny, zachowania intencjonalne, działania celowe, myślenie, język, wszystko co bada psychologia behawioralna ... Przybliżenia modeli neuronowych: Finite State Automata, czyli aproksymacje symboliczne zmiany stanów, reguły zachowania, modele oparte na wiedzy mechanizmów poznawczych w sztucznej inteligencji. Gdzie podziała się psyche, perspektywa wewnętrzna? Lost in translation: sieci => automaty skończone => zachowanie Alternatywa: przestrzenie psychologiczne => zdarzenia mentalne. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Podejście neurokognitywne Computational cognitive neuroscience: szczegółowe modele funkcji poznawczych i neuronów, pierwsza doroczna konferencja 11/2005. Informatyka neurokognitywna: uproszczone modele wyższych czynności poznawczych, myślenia, rozwiązywania problemów, uwagi, języka, kontroli zachowania i świadomości. Wiele spekulacji, ponieważ nie znamy szczegółów procesów zachodzących w mózgu, ale modele jakościowe wyjaśniające rezultaty eksperymentów psychofizycznych oraz przyczyny chorób psychicznych i zespołów neuropsychologicznych rozwijają się szybko od ~ 1995 r. Nawet proste mózgo-podobne przetwarzanie informacji daje rezultaty podobne do prawdziwych; 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” – workshopy ICANN’05, WCCI’06 (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Model transformacji ~ p(MI|X) Myocardial Infarction Output weights Przetwarzanie informacji, pomijane sprzężenia zwrotne: redukcja ilości informacji (kategoryzacja), działania senso-motoryczne. Myocardial Infarction ~ p(MI|X) Sex Age Smoking ECG: ST Pain Intensity Duration Elevation 0.7 5 1 -1 3 65 Inputs: Output weights Input weights (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Model samoorganizacji Topograficzne reprezentacje w licznych obszarach mózgu: bodźców czuciowych, w korze ruchowej i móżdżku, wielomodalne mapy orientacji w wzgórkach czworaczych górnych, mapy w układzie wzrokowym i tonotopiczne mapy kory słuchowej. Najprostszy model (Kohonen 1981): konkurencja między grupami neuronów i lokalna kooperacja. Neurony reagują na sygnały dostrajając swoje parametry tak, by wszystkie bodźce były analizowane i by bodźce do siebie podobne analizowane były przez sąsiednie neurony. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Model dynamiczny Silne sprzężenia zwrotne, stany kolektywne, neurodynamika. Najprostszy model (Hopfield 1982): pamięć skojarzeniowa, uczenie w oparciu o regułę Hebba, dynamika synchroniczna, neurony dwustanowe. Wektor potencjałów wejściowych V(0)=Vini , czyli wejście = wyjście. Dynamika (iteracje) Þ sieć Hopfielda osiąga stany stacjonarne, czyli odpowiedzi sieci (wektory aktywacji elementów) na zadane pytanie Vini (autoasocjacja). Jeśli połączenia są symetryczne to taka sieć dąży do stanu stacjonarnego (atraktor punktowy). t = dyskretny czas. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Model biofizyczny (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved Synapses EPSP, IPSP Spike Soma Synapses (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Zjawiska psychologiczne Percepcja wzrokowa: oglądając naturalne obrazy należy zrozumieć sposoby kodowania obiektów i scen, efekty związane z przypominaniem. Uwaga przestrzenna: uwzględnienie interakcji pomiędzy różnymi strumieniami informacji wzrokowej pozwoli symulować skupianie uwagi na różnych obszarach przestrzeni u osób zdrowych i z uszkodzeniami mózgu. Pamięć: modelowanie struktur hipokampa pozwala na zrozumienie różnych aspektów pamięci epizodycznej, a mechanizmy uczenia pokazują jak dochodzi do powstawania pamięci semantycznej. Pamięć robocza: wyjaśnienie zdolności do jednoczesnego utrzymywania w umyśle kilku liczb w czasie mnożenia wielocyfrowych liczb wymaga dość uwzględnienia specyficznych mechanizmów biologicznych w modelu neuronowym. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

zjawiska cd ... Czytanie słów: siec będzie się uczyć czytania i wymowy angielskich słów a następnie uogólniać swoją wiedze na wymowę nowych słów oraz odtwarzać pewne formy dysleksji. Reprezentacje semantyczne: analizując tekst na podstawie kontekstu występowania poszczególnych słów sieć nauczy się semantyki wielu pojęć. Podejmowanie decyzji i wykonywanie zadań: model kory przedczołowej potrafi utrzymywać uwagę na wykonywanych zadaniach pomimo czynników przeszkadzających. Pominiemy rozwój reprezentacji kory ruchowej i somatosensorycznej przez samoorganizację; są tu bardzo szczegółowe modele neuronowe uwzględniające różne typy neuronów, neurotransmiterów itd, do analizy zjawiska kończyn fantomatycznych. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Zalety modelowych symulacji Modele pomagają zrozumieć zjawiska: myślenie opiera się często na analogiach do jakiegoś modelu umożliwiają nowe inspiracje, wgląd w problem pozwalają na symulację efektów uszkodzeń i wpływu różnych zaburzeń (leków, zatruć). pomagają zrozumieć szczegóły zachowania i specyficznych funkcji modele można formułować na różnych poziomach złożoności, znacznie lepiej niż argumenty werbalne modeli zjawisk zachodzących w ciągły sposób (np ruchu czy percepcji) nie da się zredukować do werbalnego opisu modele umożliwiają szczegółową kontrolę warunków eksperymentu i dokładną analizę wyników Modele wymagają dokładnej specyfikacji, unaocznienia założeń pozwalają na nowe przewidywania dokonują dekonstrukcji koncepcji psychologicznych (pamięć robocza?) pozwalają zrozumieć złożoność problemu dostarczają jednolitego, spójnego schematu postępowania (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Wady symulacji Modele są zwykle za proste, powinny obejmować wiele poziomów. Modele mogą być zbyt złożone, czasami teoria pozwala na prostsze wyjaśnienia (czemu na równiku nie ma huraganów?). Nie zawsze wiadomo co należy uwzględnić w modelowaniu. Modele mogą wyjaśnić wszystko (jak i psychoanalitycy ...): nawet jeśli działają to jeszcze nie znaczy, że rozumiemy mechanizmy, duża liczba parametrów w sieciach neuronowych pozwala na realizację zachowań całkowicie niemożliwych; wiele alternatywnych choć całkiem różnych modeli może wyjaśnić to samo zjawisko. Ważne są ogólne zasady, parametry są ograniczone przez neurobiologię na różnym poziomie, im więcej zjawisk model tłumaczy tym jest bardziej prawdopodobny i uniwersalny. Modele są zbyt redukcjonistyczne – dlatego rekonstrukcjonizm, czyli uwzględnianie oddziaływań i emergencja, jest tak ważny. Wiedza zdobywana dzięki modelom nie ulega kumulacji – tak istotnie było na początku ale teraz mamy coraz lepsze klocki ... (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Podręczniki Randall C. O'Reilly, Yuko Munakata, Computational Explorations in Cognitive Neuroscience Understanding the Mind by Simulating the Brain. Cambridge, MA: MIT Press 2000. Symulator Emergent opisany w tej książce pozwala na robienie dość złożonych eksperymentów psychologicznych. Chris Eliasmith, Charles H. Anderson, Neural Engineering: Computation, representation and dynamics in neurobiological systems. MIT Press 2004 Symulator Nengo jest również bardzo interesujący chociaż na razie niewiele w nim jest modeli funkcji poznawczych (2011). David Sterratt, Bruce Graham, Andrew Gillies, David Willshaw, Principles of Computational Modelling in Neuroscience, CUP 2011. Szczegółówe meodele neuronów, ale niewiele o sieciach i funkcach poznawczych.