Wyższe czynności poznawcze Inteligentne Systemy Autonomiczne Wyższe czynności poznawcze W oparciu o wykład Prof. Randall O'Reilly University of Colorado oraz Prof. Włodzisława Ducha Uniwersytet Mikołaja Kopernika Janusz A. Starzyk Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania w Rzeszowie

Wyższe czynności Na razie mamy sieciowe modele: Rozpoznające obiekty (wzrok, słuch, dotyk). Procesów uwagi, współdziałających z rozpoznawaniem. Pamiętające epizody, ogólne relacje semantyczne, utrzymujące bieżące informacje. Uczące się wymowy i sensu słów. Czego brakuje? Celów, dążeń, planowania. Rozumowania. Emocji. Podejmowania decyzji. Reprezentacji ego, modelu „ja”, samoświadomości. Wolnej woli? Relacji społecznych, hierarchii wartości.

Czym jest świadomość? Świadomość jest procesem wynikającym z posiadania wrażeń i posiadania przekonań, że się ma wrażenia. Warunki konieczne do powstania wrażeń świadomych: model stanów środowiska istotnych dla organizmu; dostatecznie złożona struktura relacyjna stanów wewnętrznych; zdolność do podejmowania działań na podstawie analizy stanów wewnętrznych; szczególnym przypadkiem jest tu zdolność do narracji, „strumień świadomości”. Weryfikacja: Zaplanujmy mózgopodobny system; pokażmy, że z powodu samej swojej konstrukcji musi twierdzić, że jest świadomy zachodzących w nim procesów; spróbujmy podważyć jego przekonania.

Podstawy biologiczne PFC CC Uszkodzenia kory przedczołowej (PFC) jak i kory zakrętu obręczy (CC) wpływają na planowanie, rozumowanie, podejmowanie decyzji, interakcje społeczne, samoświadomość, działania intencjonalne. Kora PFC i CC nie działa jednak w izolacji od reszty! Czy jesteśmy automatami? Wolna wola, podmiotowość i mózg (referat 3/2007).

Funkcje PFC Pamięć robocza, dynamiczne aktywacje nie ulegające rozproszeniu. Doświadczenia z opóźnionym dopasowywaniem wzorców. PFC utrzymuje przez pewien czas informacje aktywując „pamięć roboczą”, umożliwia to powracanie do wykonywanych zadań pomimo konieczności wykonania innych działań, monitorowanie błędów, koordynację działań celowych, planów, generowanie różnorodnych działań.

Stroop Trudno jest wyhamować dobrze wytrenowane procesy rozpoznawania czy działania (taniec, muzyka), np. w efekcie Stroopa: mamy podać kolor kolejnych wyrazów, ale robimy to wolniej niż dla wyrazów nie związanych z kolorami.

Model Stroopa Rozpoznawanie słów bądź kolorów. Wyniki są całkiem zgodne z doświadczeniem. Jest sporo wariantów tego doświadczenia i możliwości śledzenia zmian w czasie wielokrotnego powtarzania.

Stroop: kształty Poziom fonologiczny: nieistniejące słowa nie wzbudzają głębszych obszarów. Poziom głęboki: błędy fonologiczne i semantyczne (kąt – kot, kot - pies), pomyłki w rozpoznawaniu znaków. Powierzchniowe obserwacje: nowe słowa + dostęp semantyczny + trudności w czytaniu wyjątków + pomyłki w rozpoznawaniu.

Stroop: kształty Powierzchniowe obserwacje: nowe słowa + dostęp semantyczny + trudności w czytaniu wyjątków + pomyłki w rozpoznawaniu.

Dynamiczna kategoryzacja Wisconsin card sort test WCST Sortowanie według koloru W WCST pacjenci maja sortować karty według jednego z wybranych wzorców – kształtu, koloru lub liczby figur Zmiana zasad sortowania jest utrudniona wśród pacjentów z uszkodzeniami przedniej kory

Dynamiczna kategoryzacja Sortowanie według koloru Wisconsin card sort Badania tego typu pozwalają na lokalizacje specyficznych rodzajów przetwarzania informacji w mózgu

Dynamiczna kategoryzacja Sortowanie według koloru Wisconsin card sort

Dynamiczna kategoryzacja Wisconsin card sort: pacjenci z uszkodzeniami kory przedczołowej trzymają się pierwszej reguły i nie potrafią jej zmienić.

Działania synaptyczne i dynamiczne Decyzja jaki podjąć wybór Powierzchniowe obserwacje: nowe słowa + dostęp semantyczny + trudności w czytaniu wyjątków + pomyłki w rozpoznawaniu.

Kategoryzacja dynamiczna Decyzja jaki podjąć wybór – prosty test przeprowadzany na małpach Należy wybrać jeden z obrazów przedstawiający ta sama 2D figurę Po tym jak badany osobnik osiągał 90% poprawnych wyników zasada została zmieniona i należy wybrać a) nowa 2D figurę (IDS) b) ta sama 1D figurę (EDR) c) nowa 1D figurę (EDS) d) odwrócić role (IDR) - przy odwróceniu rol wybieramy figurę ta której nie wybieraliśmy przedtem Powierzchniowe obserwacje: nowe słowa + dostęp semantyczny + trudności w czytaniu wyjątków + pomyłki w rozpoznawaniu.

Kategoryzacja dynamiczna Orbital PFC: reprezentuje cechy, boczna PFC abstrakcyjne wymiary. Albo ... Orbital = hamowanie afektywne Lateral = wybór dzięki uwadze. Aktywacja PFC pozwala na zmianę działania przez: Orbitalne: nowe cechy (IDR) Boczne: nowe wymiary (EDS) Trwanie: wpływy synaptyczne przy braku dynamicznej aktywacji w PFC U osobników z uszkodzeniami orbitalnymi trudniej jest odwrócić zasadę w figurach o tej samej wymiarowości (IDR) a u osobników z uszkodzeniami bocznego PFC trudniej jest zmienić zasadę przy wyborze nowych figur o innej wymiarowości (EDS).

Model IDE/ED Uwaga: aktywacja PFC: nadaje kierunek, VTA działa jako adaptujący się krytyk, powoduje zmiany w PFC i nagrodę. Trwanie: wpływy synaptyczne przy braku dynamicznej aktywacji w PFC

IDR/EDS w modelu Trwanie: wpływy synaptyczne przy braku dynamicznej aktywacji w PFC

Model i doświadczenie Trwanie: wpływy synaptyczne przy braku dynamicznej aktywacji w PFC

Zadania PFC Dynamiczna pamięć robocza: neurony PFC utrzymują swoją aktywację pozwalając na jednoczesne wykonywanie kilku funkcji. Monitorowanie/ocena wyników działań: monitorowanie błędów sprzężone z dopaminoergicznym mechanizmem nagrody. Wydaje się, że właśnie te informacje stają się świadome, bo oceny muszą być dostępne wszystkim obszarom mózgu by wpłynąć na procesy korekty. Kompetycja pomiędzy celami powoduje wstrzymanie jednego I pobudzenie innego działania Elastyczność: kontynuacja tej samej odpowiedzi po zmianie zadania Biegłość: Trudność w generowaniu różnorodnych odpowiedzi Nadrzędna Kontrola: Problemy z celowym planowaniem i koordynacją

Jednolite podejście w oparciu o aktywizacje Centralne mechanizmy frontalne: Dynamiczna pamięć robocza: neurony PFC utrzymują swoją aktywację pozwalając na jednoczesne wykonywanie kilku funkcji. Monitorowanie/ocena wyników działań: monitorowanie błędów sprzężone z dopaminoergicznym mechanizmem nagrody. Elastyczność: dynamizm oparty o aktywizacje szybszy niż oparty o wagi Biegłość: Problem z nowymi kategoriami odpowiedzi – wymaga odgórnego wsparcia by przezwyciężyć istniejące kategorie Nadrzędna Kontrola: Pilnowanie i uaktualnianie planow/celow w czasie, unikanie rozproszenia uwagi

Automatyzmy i kontrola Dynamiczna pamięć robocza: neurony PFC utrzymują swoją aktywację pozwalając na jednoczesne wykonywanie kilku funkcji.

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 24

Neurofenomenologia F. Varela, hipoteza neurofenomenologii: fenomenologiczny opis struktury doświadczenia i jego odpowiedniki w naukach poznawczych wzajemnie się precyzują. 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; i wiele innych.

Końcówka W jaki sposób mózg wytwarza umysł? Lub tez w jaki sposób neurony tworzą nasze myśli, zachowania, emocje itp?

Podstawy Neurony: czujniki, aktywizacja/hamowanie/utrata ładunku, wartość progowa, impulsy Sieci: przekształcenia, uzupełnianie wzorców, wzmacnianie, dynamika atraktorów, spełnianie ograniczeń Uczenie: modelowanie i cele Rozpoznanie/Uwaga: przekształcenia, ścieżki przestrzenne obiektów Pamięć: wagi vs. akcje, kora mózgowa, hipokamp, kora przednia Język: przekształcenia, integracja ortografii, semantyki, i fonetyki Wyższe czynności poznawcze: przekształcenia w oparciu o aktywizacje, wartości progowe

W jaki sposób mózg wytwarza umysł? Modele pozwalają zrozumieć zjawiska: zorientowane prążki światła I V1, wyspecjalizowane systemy pamięci, podział zadań w czytaniu, efekty uszkodzeń Modele dają sobie rade ze złożonością: rozpoznawanie obrazów, semantyka Modele są jawne, rozkładają konstrukcje psychologiczne: mechanizmy pamięci - odłączenie/hamowanie vs. aktywizacja Modele dają się kontrolować: Modele prowadza do jednolitego podejścia:

Podsumowanie Psychologia zmienia się całkowicie dzięki metodom neurokognitywnym! Większość wyjaśnień dotychczas prezentowanych przez psychologów niewiele naprawdę wyjaśnia, postulując mechanizmy, które nie istnieją. Przykład: kategoryzacja i odwrotne częstości z punktu widzenia modeli neuronowych i z punktu widzenia psychologii. Attractor neural networks and concept formation in psychological spaces.

Pozostałe Problemy Połączenia: Kontrola czasowa: Brakujące rejony mózgu: Skalowanie: Sygnały błędu: Modele są zbyt proste/złożone: Modele mogą osiągnąć wszystko/niewiele:

Co Dalej? Co te modele mówią o genetyka vs. wychowanie (nature vs. nurture)? Jak te modele odzwierciedliłyby różnice indywidualne? Czy idealny model byłby dokładnie taki jak mozg? Czy moglibyśmy przewidzieć zachowanie z cala pewnością? Czy jest miejsce na wolna wole? Czy te modele mogą przedstawiać emocje? Doświadczenia? Świadomość? Czy te modele pozbywają się Boga?