Wykład 8 Neuropsychologia komputerowa Przetwarzanie informacji przez mózgi Włodzisław Duch UMK Toruń Google: W Duch (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Podstawowe mechanizmy Mikroorganizacja: podstawowe zasady, podobne w całym mózgu. Makroorganizacja: zróżnicowanie i oddziaływania różnych obszarów. Na poziomie mikro w modelu Laebra mamy 6 zasad: (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Zasady Mózg nie jest uniwersalnym komputerem. Neurony dopasowały się ewolucyjnie do wykrywania specyficznych własności analizowanych sygnałów. Kompromis pomiędzy specyficznością i wbudowanymi oczekiwaniami a ogólnością i uniwersalnością. Jak z neuronów zbudować wszystkie potrzebne elementy, specyficzne i uniwersalne? Dynamiczne zasady na poziomie makro: Spełnianie ograniczeń, w tym wewnętrznych, wiedzy a priori. Wzmacnianie kontrastów, atraktory, aktywna pamięć. Mechanizmy uwagi, konkurencja wzajemnie się hamująca. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Makropoziom Warstwy neuronów-detektorów wzmacniających/osłabiających różnice. Hierarchiczne sekwencje transformacji. Specjalne transformacje dla różnych sygnałów. Wyspecjalizowane ścieżki przesyłania informacji. Interakcje wewnątrz ścieżek. Obszary skojarzeniowe na wyższym poziomie. Rozproszone reprezentacje na dużych obszarach. Silne sprzężenia między obszarami powodują, że to tylko przybliżone rozróżnienia, specjalizacja i hierarchia. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Hierarchia i specjalizacja Procesy umysłowe: wynik hierarchicznej i wyspecjalizowanej transformacji sygnałów zmysłowych, stanów wewnętrznych (kategorii) i podejmowanych działań. Warstwy neuronów-detektorów przetwarzają dochodzące do nich od receptorów sygnały wzmacniając/osłabiając różnice. Powstające stany wewnętrzne dostarczają interpretacji stanów środowiska - hierarchiczne przetwarzanie konieczne jest do osiągnięcia niezmienniczości reprezentacji, pomimo zmiennych sygnałów, np. słuchowego (fonemy), czy wzrokowego (kolor, obiekty). Transformacje i wyspecjalizowane strumienie przetwarzania informacji pobudzają wewnętrzne reprezentacje kategorii i dostarczają danych do podejmowania działań, np. reakcji ruchowych. Analogia: hierarchiczne współzależności w dużej firmie. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Rozproszenie i interakcja Specjalizacja zwiększa sprawność działania, ale oddziaływania pomiędzy strumieniami są niezbędne do koordynacji, zdobywania dodatkowych informacji na różnym poziomie, np. orientacja przestrzenna i rozpoznawanie obiektów. Na wyższym poziomie mamy heterogeniczne obszary kojarzeniowe. Wiedza związana z rozpoznaniem np. czytanych słów rozproszona jest w całym mózgu, tworząc system pamięci semantycznej. Na mikro i makro-poziomie jest podobnie: interpretacja całości jest wynikiem rozproszonej aktywności wielu elementów. Wiedza = Przetwarzanie, program ~ dane. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Zasady dynamiczne Dobrze znane pobudzenia wywołują natychmiastową reakcję. Nowe mogą wymagać iteracyjnego szukania najlepszego kompromisu spełniającego ograniczenia wynikające z posiadanej wiedzy  możliwym do osiągnięcia stanów dynamicznych mózgu. Istnieje wiele lokalnych, alternatywnych lub sub-optymalnych, rozwiązań => kontekst lokalny (wewnętrzny) zmienia interpretację. Napadł na bank. Rozbił bank. Pamięć trwała jest wynikiem uczenia, jest to pamięć synaptyczna, potencjalnie dostępna dla procesów, które mogą ją aktywnie użyć. Pamięć aktywna (dynamiczna) jest wynikiem chwilowych wzajemnych pobudzeń (aktywizacji) fragmentów sieci; jest krótkotrwała bo neurony się męczą i angażują w wiele procesów. Taki mechanizm powoduje niepowtarzalność przeżyć  interpretacji wewnętrznych, stany kontekstowe są zawsze trochę odmienne. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Ogólne funkcje kory Podsumowanie f. kory (lokalny link) http://www.is.umk.pl/~duch/Wyklady/Mozg/09-4-funkcje-kory.htm (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Obszary podkorowe Pień mózgu: jądra szwu – serotonina, twór siatkowaty: ogólna przytomność. Śródmózgowie: część nakrywki (VTA) – dopamina, wartość obserwacji/działania. Wzgórze: wejścia sygnałów zmysłowych, uwaga. Móżdżek: uczenie się ruchu, sekwencje czasowe ruchu. Ciało migdałowate: emocje, skojarzenia afektywne. Jądra podstawy: sekwencje, antycypacja, kontrola ruchu, modulacja aktywności kory przedczołowej, wybór i inicjacja nowej aktywności. Hipokamp: szybkie uczenie, pamięć epizodyczna i przestrzenna. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

3 podstawowe obszary PC – tylna kora ciemieniowa i kora ruchowa; działania sensomotoryczne, specjalizacja, rozproszenie rep. FC – kora przedczołowa, wyższe czynności poznawcze, izolowane rep. HC – formacja hipokampa i okolice, pamięć, szybkie uczenie, rzadkie rep Uczenie musi być powolne by uchwycić statystycznie istotne zależności, precyzyjnie analizować dane ze zmysłów i kontrolować ruch, ale potrzebny jest też mechanizm szybkiego uczenia. Kompromis: wolne uczenie korowe i szybkie w hipokampie. Utrzymywanie aktywnej informacji i jednocześnie przyjmowanie nowej w rozproszonym systemie, unikanie interferencji. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Wolne/szybkie uczenie Neuron uczy się prawdopodob. warunkowego, korelacji pomiędzy pożądaną aktywnością a sygnałami wejściowymi; optymalna wartość 0.7 osiągana jest szybko tylko przy małej stałej uczenia ~0.005 Każde przeżycie to mały fragment niepewnej, ale potencjalnie przydatnej wiedzy o świecie => stabilność obrazu świata wymaga powolnego uczenia, integracja prowadzi do zapominania indywidualnych zdarzeń. Istotne nowe informacje uczymy się po jednokrotnej ekspozycji. Lezje formacji hipokampa wywołują amnezję następczą. System neuromodulacji osiąga kompromis stabilności/plastyczności. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Aktywna pamięć Rozproszone nakładające się reprezentacje w PC mogą sprawnie zapisać informacje o świecie, ale ... zbyt wiele skojarzeń i połączeń zmniejsza możliwości precyzyjnego odnajdywania informacji, może ją też zacierać z upływem czasu, trudno o kombinatoryczną produktywność przy złożonej analizie. FC – kora przedczołowa, przechowuje izolowane reprezentacje; większa stabilność pamięci. Hamowanie => pamięć aktywna musi być wybiórcza, efektem jest „skupienie uwagi”. Uwaga nie jest wynikiem działania odrębnych mechanizmów związanych z wolą, jest procesem emergentnym wynikającym z konieczności spełnienia wielu ograniczeń jednocześnie. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Architektura poznawcza BICA Hierarchiczna struktura dla danych zmysłowych w PC, rekurencja izolowanych konkurujących reprezentacji w FC, zapisywanie kontekstu w HC. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Działanie Kora ciemniowa (PC): uczy się powoli, tworzy rozległe, nakładające się reprezentacje w gęsto połączonej sieci. Dynamiczne stany PC to pamięć krótkotrwała, głównie relacji przestrzennych, szybko ulegająca zaburzeniu i dezintegracji. Kora czołowa (FC): uczy się powoli, przechowuje izolowane reprezenta-cje, aktywizacja pamięci jest stabilniejsza, mechanizm nagrody przełącza dynamicznie jej aktywność, pozwalając dłużej aktywnie pamiętać. Hipokamp (HC) zapamiętuje szybko epizody tworząc rzadkie reprezentacje, odróżniając nawet podobne do siebie zdarzenia. Taka uproszczona architektura pozwoli na modelownie wielu zjawisk dotyczących percepcji, pamięci, używania języka, efektów oddziaływania różnych obszarów. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Działania kontrolowane/automatyczne Automatyczne: rutynowe, proste, niskiego poziomu, sensor-motoryczne, odruchy warunkowe, skojarzenia – łatwe do modelowania przez sieci. Kontrolowane: świadome, elastyczne, wymagające sekwencji działań, wyboru elementów z dużego zbioru możliwości – zwykle realizowana w opisowy sposób za pomocą systemów regułowych, symbolicznych. Modele postulujące centralne procesy: jak w komputerze, pamięć robocza z centralnym nadzorcą mająca wpływ na wiele obszarów. Tu: procesy emergentne, wynik globalnego spełniania ograniczeń, brak centralnego mechanizmu. Kora przedczołowa może jednak wywierać wpływ kontrolny na aktywność innych obszarów, jest więc zaangażowana w działania kontrolowane, w tym reprezentację „ja” vs. „inni”, relacji społecznych itd. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Inne rozróżnienia: świadomość Wiedza deklaratywna vs. proceduralna. Deklaratywna: często wyrażalna symbolicznie (słowa, gesty), proceduralna jest bardziej zorientowana na sekwencje działań. Wiedza jawna vs utajona. Działanie kontrolowane opiera się na wiedzy jawnej i deklaratywnej. Działania automatyczne odnoszą się do wiedzy utajonej, proceduralnej. Świadome => stany istniejące zauważalnie długo, integrujące informacje zmysłowe o różnych modalnościach, raportowalne, mające wpływ na inne procesy w mózgu, zsynchronizowane ale zróżnicowane. Przypuszczenie: każdy system, który ma stany wewnętrzne i jest na tyle złożony, by moc je komentować, musi twierdzić, że jest świadomy. Procesy w korze przedczołowej i hipokampie pozwalają przywołać stan mózgu (epizod), dają się skomentować (skojarzyć z reprezentacją pojęć). (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Różne potencjalne problemy Są rzeczy łatwe, dla których wystarczą proste modele, i rzeczy trudne wymagające szczegółowych modeli. Pokutuje dużo nieporozumień: sieci neuronowe MLP nie są modelami mózgu, są tylko luźno inspirowane przez uproszczone spojrzenie na aktywność sieci neuronów; właściwy model neuronowy musi mieć odpowiednia architekturę i reguły uczenia się. Przykład: katastroficzne zapominanie skojarzeń z list, dużo silniejsze w sieciach MLP niż u ludzi => prawidłowa architektura, uwzględniająca dwa rodzaje pamięci (hipokamp + kora) nie ma z tym problemu. Ludzkie poznanie nie jest doskonałe i dobre modele pozwalają przeanalizować liczne kompromisy, przed jakimi stoi mózg. Mózgi są dość elastyczne, chociaż opierają swoje działanie w większości na reprezentacji specyficznej wiedzy o świecie. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Problem integracji Binding problem: świat postrzegamy całościowo, a informacja w mózgu po wstępnym przetworzeniu nigdzie się nie schodzi, skąd to odczucie? Prawdopodobnie synchronizacja rozproszonych procesów. Uwaga to mechanizm kontrolny wybierający obszary, które powinny być w danym momencie aktywne. Kodowanie istotnych kombinacji aktywnych obszarów. Jednoczesna aktywność = dynamiczna synchronizacja, częściowe odtworzenie stanu mózgu w czasie epizodu. Błędy integracji zdarzają się często. (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Wyzwania Przerwania: wielopoziomowe przejście od jednej czynności do drugiej i powrót do wcześniejszej, lub rekurencyjne powtarzanie kilkukrotnie tej samej czynności => pamięć robocza. Łatwe dla programu komputerowego (pętle, podprogramy), gdy dane i programy są oddzielone, ale trudniejsze dla sieci, gdzie nie ma takiego oddzielenia. PFC i HCMP pamiętają poprzedni stan i do niego wracają. Trudne zadanie, często zapominamy, co chcieliśmy powiedzieć kiedy kogoś słuchamy, zdania mają niezbyt złożone zagnieżdżenia. The rat the cat the dog bit chased squeaked. Po polsku nieco łatwiej bo szyk jest inny: Szczur goniony przez kota ugryzionego przez psa zapiszczał. Jak i co uogólnić? Rozproszone reprezentacje łączą różne cechy. Psy gryzą, nie tylko Burek, nie tylko kundle, nie tylko czarne; pudelki też? (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved