Inteligentne Systemy Autonomiczne

Inteligentne Systemy
Autonomiczne
Wyż
Wyższe czynnoś
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.
Wyż
Wyższe czynnoś
czynności
poznawcze
W oparciu o wykład
Prof. Randall O'Reilly
University of Colorado oraz
Prof. Włodzisława Ducha
Uniwersytet Mikołaja Kopernika
1
EE141
Janusz
Czego brakuje?
‰Celów, dążeń, planowania.
‰Rozumowania.
‰Emocji.
‰Podejmowania decyzji.
‰Reprezentacji ego, modelu „ja”, samoświadomości.
‰Wolnej woli?
‰Relacji społecznych, hierarchii wartości.
2
EE141
A. Starzyk Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania w Rzeszowie
Czym jest śświadomość?
wiadomość?
Podstawy biologiczne
Świadomość jest procesem wynikającym z posiadania wrażeń i
‰
posiadania przekonań, że się ma wrażenia.
CC
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,
PFC
„strumień świadomości”.
‰
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!
Weryfikacja:
Zaplanujmy mózgopodobny system;
pokażmy, że z powodu samej swojej konstrukcji musi
twierdzić, że jest świadomy zachodzących w nim procesów;
spróbujmy podważyć jego przekonania.
3
EE141
Czy jesteśmy automatami? Wolna wola, podmiotowość i mózg
(referat 3/2007).
4
EE141
Funkcje PFC
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.
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.
5
EE141
6
EE141
1
Model Stroopa
Stroop:
Stroop: kształ
kształty
Rozpoznawanie słów bądź kolorów.
Poziom fonologiczny:
nieistniejące słowa nie
wzbudzają głębszych
obszarów.
Poziom głęboki: błędy
fonologiczne i
semantyczne (kąt – kot,
kot - pies),
pomyłki w
rozpoznawaniu znaków.
Wyniki są całkiem zgodne z doświadczeniem.
Jest sporo wariantów tego doświadczenia i możliwości śledzenia zmian
w czasie wielokrotnego powtarzania.
7
EE141
Powierzchniowe obserwacje: nowe słowa + dostęp semantyczny
+ trudności w czytaniu wyjątków + pomyłki w rozpoznawaniu.
8
EE141
Stroop:
Stroop: kształ
kształty
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
Powierzchniowe obserwacje: nowe słowa + dostęp semantyczny
+ trudności w czytaniu wyjątków + pomyłki w rozpoznawaniu.
9
EE141
Zmiana zasad sortowania jest utrudniona wśród pacjentów z
uszkodzeniami przedniej kory
Dynamiczna kategoryzacja
Dynamiczna kategoryzacja
Sortowanie według koloru
Wisconsin card sort
Badania tego typu pozwalają na lokalizacje specyficznych rodzajów
przetwarzania informacji w mózgu
Sortowanie według koloru
Wisconsin card sort
11
EE141
10
EE141
12
EE141
2
Dynamiczna kategoryzacja
Dział
Działania synaptyczne i dynamiczne
Decyzja jaki podjąć wybór
Wisconsin card sort: pacjenci z uszkodzeniami kory przedczołowej
trzymają się pierwszej reguły i nie potrafią jej zmienić.
13
EE141
Kategoryzacja dynamiczna
14
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.
Powierzchniowe obserwacje: nowe słowa + dostęp semantyczny
+ trudności w czytaniu wyjątków + pomyłki w rozpoznawaniu.
EE141
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)
15
EE141
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
16
nowych figur o innej wymiarowości (EDS).
EE141
Model IDE/ED
IDR/EDS w modelu
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
Trwanie: wpływy synaptyczne przy braku dynamicznej aktywacji w PFC
17
EE141
18
EE141
3
Model i doś
doświadczenie
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
Trwanie: wpływy synaptyczne przy braku dynamicznej aktywacji w PFC
•Nadrzędna Kontrola: Problemy z celowym planowaniem i koordynacją
19
EE141
Jednolite podejś
podejście w oparciu o aktywizacje
•Centralne mechanizmy frontalne:
20
EE141
Automatyzmy i kontrola
Dynamiczna pamięć robocza: neurony PFC utrzymują swoją aktywację
pozwalając na jednoczesne wykonywanie kilku funkcji.
•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,
21
unikanie rozproszenia uwagi
EE141
Automatyzacja dzia
łań
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.
23
EE141
22
EE141
Gdzie ten umys
ł?
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..
24
EE141
4
Neurofenomenologia
Dlaczego istniej
ą quali
a?
istnieją
qualia?
F. Varela, hipoteza neurofenomenologii: fenomenologiczny opis
struktury doświadczenia i jego odpowiedniki w naukach poznawczych
wzajemnie się precyzują.
Wyobraźmy sobie szczura wąchającego jedzenie.
W ułamku sekundy musi zdecydować: jeść czy pluć?
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
25
otwarty charakter emocji i dyspozycji (3).
EE141
Jeszcze o wra
żeniach
wrażeniach
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!
•
•
•
•
•
•
•
26
EE141
Kiedy system ma wra
żenia?
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:
1014
Pamięć trwała (LTM) jest ogromna, rzędu
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?
•
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.
•
•
•
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.
•
•
•
•
•
•
27
EE141
•
28
EE141
Perspektywa wewn
ętrzna
wewnętrzna
Pami
ęć i wra
żenia
Pamięć
wrażenia
Qualia musza istnieć w mózgopodobnych strukturach:
Pamięć konieczna jest do interpretacji stanów mózgu:
‰
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
29
powodują zanik wrażeń koloru, na jawie i w snach.
EE141
‰
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
30
wiele innych.
EE141
5
Koń
Końcówka
Podstawy
W jaki sposób mózg wytwarza umysł?
Neurony: czujniki, aktywizacja/hamowanie/utrata ładunku, wartość
progowa, impulsy
Lub tez w jaki sposób neurony tworzą nasze myśli, zachowania,
emocje itp?
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
31
EE141
32
EE141
W jaki sposó
sposób mó
mózg wytwarza umysł
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
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.
Modele dają się kontrolować:
Modele prowadza do jednolitego podejścia:
33
EE141
34
EE141
Pozostałe Problemy
Co Dalej?
Połączenia:
Co te modele mówią o genetyka vs. wychowanie (nature vs. nurture)?
Kontrola czasowa:
Jak te modele odzwierciedliłyby różnice indywidualne?
Brakujące rejony mózgu:
Czy idealny model byłby dokładnie taki jak mozg?
Skalowanie:
Czy moglibyśmy przewidzieć zachowanie z cala pewnością?
Sygnały błędu:
Czy jest miejsce na wolna wole?
Czy te modele mogą przedstawiać emocje? Doświadczenia?
Świadomość?
Modele są zbyt proste/złożone:
Czy te modele pozbywają się Boga?
Modele mogą osiągnąć wszystko/niewiele:
35
EE141
36
EE141
6