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 (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Plan Kogni ... co? Co to takiego? Mózgi i uczenie. Umysły i uczenie. Inne zastosowania. Perspektywy. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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

Kognitywistyka – różne gałęzie Czy ma już swoją tożsamość, czy jest tylko zlepkiem różnych elementów? . (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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". (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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

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

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

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

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? (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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

Uczenie - reguła Hebba D. O. Hebb, 1949 „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! (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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”. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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

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

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? (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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

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

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

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 (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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! (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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