Od neurodynamiki do geometrii umysłu Włodzisław Duch Katedra Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Toruń Google: W. Duch Fizyka a umysł , UAM 23.11.2007 (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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

Neurony pobudzające i hamujące Kwas glutaminowy otwiera kanały Na+, pobudzająco, GABA działa na kanały Cl- hamując pobudzanie. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

Wzrok Z siatkówki przez ciało kolankowate boczne (część wzgórza) informacja trafia do pierwotnej kory wrokowej V1 i stamtąd wędruje dwiema drogami. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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

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

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

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

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

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

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

Kreatywność = wyobraźnia (fluktuacje) + filtrowanie (konkurencja) 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. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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 (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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

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

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

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

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

Wrażenia wzrokowe Teoria rozpoznawania obiektów, S. Edelman (1997) Wystarczy podobieństwo drugiego rzędu, nie więcej niż 300 wymiarów. Populacja kolumn kory działająca wspólnie (stacking). (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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 P-przestrzeniach. Użyć danych behawioralnych do modelowania PDF. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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: Analiza populacyjna: obiekty reprezentowane jako populacja aktywności kolumn. Reprezentacja słów - widoczna w obrazowaniu mózgu. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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 (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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: Przestrzeń cech (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

Uczenie Punkt widzenia Neurodynamika Psychologia I+PC=>C, pojawia się często więc ma silniejsze połączenia synaptyczne, powstają większe i głębsze baseny atraktorów. Symptomy I, PC są typowe dla C ponieważ są częściej obserwowane. 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”. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Model umysłu Model hierarchiczny: wykrywanie cech - mapy topograficzne, kora sensoryczna rozpoznawanie obiektów - pamięć długotrwała pamięć robocza - bieżąca kontrola, przeżywana teraźniejszość. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

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

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

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

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

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

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

WWW (Google “Duch”) => referaty, prace + wykłady: Jak działa mózg. Neuropsychologia komputerowa. Wstęp do kognitywistyki Dziękuję za uwagę.