EE1411

PPrzetwarzanie informacji przez rzetwarzanie informacji przez mózgimózgi

Janusz A. Starzyk Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania w Rzeszowie

W oparciu o wykład Prof. Randall O'Reilly University of Colorado oraz Prof. Włodzisława DuchaUniwersytet Mikołaja Kopernika

EE1412

ZasadyZasady 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. Kompromis pomiędzy szybkością hipokampusa reprezentującego

sekwencje czasowe a powolnością kory integrująca wiele wydarzeń Kompromis pomiędzy aktywną pamięcią i kontrolą rozumienia 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.

EE1413

Hierarchia i specjalizacjaHierarchia i specjalizacjaProcesy umysłowe: wynik hierarchicznej i wyspecjalizowanejtransformacji sygnałów zmysłowych, stanów wewnętrznych (kategorii) i podejmowanych działań.

Warstwy neuronów-detektorów przetwarzają dochodzące do nichod 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 informacjipobudzają wewnętrzne reprezentacje kategorii i dostarczają danych do podejmowania działań, np. reakcji ruchowych. Jednocześnie

przetwarzane informacje modyfikują sposób przetwarzania.

EE1414

Rozproszenie i interakcjaRozproszenie i interakcjaSpecjalizacja zwiększa sprawność działania, ale oddziaływania pomiędzy strumieniami są niezbędne do koordynacji, zdobywania dodatkowych stabilnych informacji na różnym poziomie, np. orientacja przestrzenna i rozpoznawanie obiektów.

Na wyższym poziomie mamy heterogeniczne obszary kojarzeniowe.

Wiedza związana z rozpoznaniem np. czytanego 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.

EE1415

Zasady dynamiczneZasady dynamiczneDobrze znane pobudzenia wywołują natychmiastową reakcję.Nowe mogą wymagać iteracyjnego szukania najlepszego kompromisu spełniającego ograniczenia wynikające z posiadanej wiedzy = możliwych do osiągnięcia stanów dynamicznych mózgu. Istnieje wiele lokalnych, alternatywnych lub sub-optymalnych, rozwiązań => kontekst lokalny (wewnętrzny) zmienia interpretację.Napadł na bank. Time flies like an arrowRozbił bank. Fruit flies like a banana

Pamięć trwała jest wynikiem uczenia, jest to pamięć synaptyczna.

Pamięć aktywna (dynamiczna) jest wynikiem chwilowych wzajemnych pobudzeń aktywnych obszarów; jest krótkotrwała bo neurony się męczą i angażują w wiele procesów; bezpośrednio wpływa na procesy zachodzące w innych obszarach mózgu. Taki mechanizm powoduje niepowtarzalność przeżyć = interpretacji wewnętrznych, stany kontekstowe są zawsze trochę odmienne.

Uwaga (skupienie) jest wynikiem oddziaływań hamujących.

EE1416

Ogólne funkcje koryOgólne funkcje kory

Podsumowanie f. kory http://www.is.umk.pl/~duch/Wyklady/Mozg/09-4-funkcje-kory.htm

Obszary Brodmana w korze

Cztery platy kory

i ich funkcje

Nazewnictwo różnych części w zależności od ich lokalizacji

EE1417

Ogólne funkcje koryOgólne funkcje kory Widoczne płaty półkuli

mózgu :      płat czołowy     płat potyliczny     płat ciemieniowy     płat skroniowy

Płat czołowy odpowiada za: planowanie myślenie pamięć, wolę działania i podejmowanie decyzji ocenę emocji i sytuacji, pamięć wyuczonych działań ruchowych, np. taniec, nawyki, specyficzne schematy zachowań, wyrazy twarzy przewidywanie konsekwencji działań konformizm społeczny, takt uczucia błogostanu (układ nagrody), frustracji, lęku i napięcia. Płat potyliczny odpowiada za: widzenie, analizę koloru, ruchu,

kształtu głębi, skojarzenia wzrokowe

EE1418

Ogólne funkcje koryOgólne funkcje kory

     płat ciemieniowy     płat skroniowy  

Płat ciemieniowy odpowiada za: orientację przestrzenną rozpoznawanie ruchu, czucie temperatury, dotyku, bólu, umiejscowienie wrażeń czuciowych, integrację ruchu czucia i wzroku rozumienie pojęć abstrakcyjnych. Płat skroniowy odpowiada za: mowę, pamięć werbalną, rozpoznawanie obiektów, słuch i wrażenia dźwiękowe, analizę zapachów.

EE1419

Obszary podkoroweObszary podkorowe

Pień mózgu (brain stem):

jądra szwu – serotonina,

twór siatkowaty: ogólna

przytomność.

Śródmózgowie

(mesencephalon): część

nakrywki (VTA) –

dopamina, wartość

obserwacji/działania.

Wzgórze (thalamus): wejścia sygnałów zmysłowych, uwaga Móżdżek (cerebellum): uczenie się ruchu, sekwencje czasowe ruchu.

EE14110

Obszary podkoroweObszary podkorowe

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.

Basal ganglia (striatum, globus pallidus, substantia nigra)Basal ganglia inicjuje czynności motoryczne a jej cześć substantia nigra odpowiada za kontrole uczenia

EE14111

Działanie Działanie

Kora ciemniowa: 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: uczy się powoli, przechowuje izolowane reprezentacje,

aktywizacja pamięci jest stabilniejsza, mechanizm nagrody przełącza

dynamicznie jej aktywność, pozwalając dłużej aktywnie pamiętać.

Hipokamp zapamiętuje szybko 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.

EE14112

Działania kontrolowane/automatyczneDziałania kontrolowane/automatyczneAutomatyczne: 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.

EE14113

Inne rozróżnienia - świadomośćInne 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.

Świadomość => stany istniejące zauważalnie długo, integrujące informacje zmysłowe o różnych modalnościach, raportowalne, mające wpływ na inne procesy w mózgu.

Każdy system, który ma stany wewnętrzne i jest na tyle złożony, by moc je komentować, będzie twierdził, że jest świadomy.

Procesy w korze przedczołowej i hipokampie dają się przywołać jako stan mózgu, epizod, dają się skomentować (skojarzyć z rep. pojęć).

EE14114

Różne potencjalne problemyRóżne potencjalne problemySą 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.

EE14115

PamPamięćięćPamięć jest istniejącym przez pewien czas efektem doświadczenia.

Pamięć pozornie jest jednolita, ale w rzeczywistości bardzo

zróżnicowana: przestrzenna, wzrokowa, słuchowa, rozpoznawcza,

deklaratywna, semantyczna, proceduralna, jawna, utajona ...

Tu badamy mechanizmy, więc podstawowy podział to: Pamięć synaptyczna (fizyczne zmiany w synapsach), długotrwała i

wymagająca aktywacji by wywrzeć jakiś wpływ na działanie. Pamięć dynamiczna, aktywna, chwilowe pobudzenia, wpływa na

bieżące działanie. Torowanie długotrwałe, oparte na pamięci synaptycznej, ulegającej

szybkiej modyfikacji – semantyczna i proceduralna są wynikiem

wolnych procesów. Torowanie krótkotrwałe, oparte na pamięci aktywnej.

EE14116

Rodzaje PamieciRodzaje Pamieci

EE14117

Aktywna pamięć i torowanieAktywna pamięć i torowanie (priming) (priming)Rozproszone nakładające się reprezentacje w PC mogą sprawnie

zapisać informacje o świecie, ale jest mało precyzyjne i zaciera się z

upływem czasu.

FC – kora przedczołowa, przechowuje izolowane reprezentacje;

zwiększa stabilność pamięci.

Efekty torowania są widoczne u osób z uszkodzonym hipokampem,

torowanie korowe w PC jest możliwe.

Wyróżnimy wiele form torowania: trwanie (krótkie, długie), typ informacji (wzrokowa, leksykalna), podobieństwo (powtarzanie, semantyczne).

EE14118

HipokampHipokampAnatomia i połączenia struktur

formacji hipokampa: sygnały

docierają z jedno i

wielomodalnych obszarów

skojarzeniowych przez

węchomózgowie (EC).

EE14119

Więcej anatomiiWięcej anatomii

Hipokamp = król kory mózgowej

Obustronne połączenia z:

opuszką węchową,

korą oczołodołową,

korą wyspy,

górnym zakrętem skroniowym,

korą zakrętu obręczy.

EE14120 Polaczenia w hipokampie

Formacja hipokampaFormacja hipokampa

EE14121 Lokalizacja hipokampa

Formacja hipokampaFormacja hipokampa

EE14122

PamięćPamięćPamięć nie jest jednorodna

1. Wagi (długoterminowe, wymagają pobudzenia) vs aktywizacje (krótkoterminowe, juz pobudzone, może wpływać na przetwarzanie)

2. Oparte na wagach Kora ma stany początkowe ale cierpi na katastroficzne wpływy. Hipokampus może uczyć sie szybko bez wpływów używając rzadkich

odseparowanych reprezentacji wzorcow

3. Oparte na aktywizacji Kora wykazuje stany początkowe ale nie nadaje sie do pamięci krótkoterminowej

4. Współpraca aktywizacji i pamięci w oparciu o wagi

5. Wideo 1. pamiec krotkoterminowa u szympansow -30 sek2. Porownanie ze studentami – 30 sek

EE14123

Pamięć roboczaPamięć roboczaKora przedczołowa gra centralną rolę w utrzymywaniu aktywnej pamięci roboczej i ma własności, o które chodzi: izolowane samopobudzające się sieci atraktorowe o rozległych basenach.

Neuroanatomia, połączenia i mikrokolumny PFC => specjalizowany obszar dla aktywnej pamięci.

Pamięć robocza: PR - przestrzenna, działania zależne od woli (self-ordered tasks). PR - przestrzenna, obiektów i werbalna, działania zależne od woli i

myślenie analityczne. PR - obiektów, myślenie analityczne.

EE14124

A-nie BA-nie BInterakcje pomiędzy pamięcią aktywną i synaptyczną - wagi już się zmieniły ale pamięć aktywna jest w innym stanie: co zwycięży? Takie interakcje widoczne są w rozwijającym się mózgu dzieci ~ 8 miesięcznych (Piaget 1954), doświadczenia robiono też na zwierzętach.

Zabawka (jedzenie) chowana jest w pudełku A i po krótkiej przerwie dziecko (zwierzę) może ją stamtąd wyciągnąć. Po kilku powtórzeniach w A zabawka chowana jest w miejscu B; dzieci szukają nadal w A.

Pamięć aktywna nie działa u dzieci równie sprawnie co synaptyczna, lezje w okolicach kory przedczołowej wywołują u dorosłych ludzi i rezusów podobne efekty. Dzieci robią mniej błędów patrząc w kierunku miejsca, gdzie schowano zabawkę, niż sięgając po nią. Jest wiele interesujących wariantów tego typu doświadczeń i wyjaśnień na różnym poziomie.

EE14125

Inne rodzaje pamięci Inne rodzaje pamięci Tradycyjne podejście do pamięci zakłada funkcjonalne, kognitywne, monolityczne kanoniczne reprezentacje w pamięci.

Z modelowania wynika, że jest wiele oddziaływujących ze sobą systemów odpowiedzialnych za pamięć, o różnej charakterystyce, odmiennych reprezentacjach i typie informacji.

Pamięć rozpoznawcza: czy element listy był wcześniej widziany?

Wystarczy sygnał „poznaję”, przypomnienie nie jest konieczne.

Model hipokampa jest tu też przydatny, pozwala na przypomnienie, ale to jest za dużo – w pamięci rozpoznawczej główną rolę wydają się odgrywać okolice kory okołowęchowe (perirhinal cortex).

Dopełnianie brakującej informacji (cued recall).

Swobodne przypominanie – efekty położenia na liście (najlepiej na początku i końcu), oraz grupowanie (chunking) informacji.

EE14126

PodsumowaniePodsumowaniePodsumowaniePodsumowanie Wiedza kształtująca się w pamięci jest

obudowana, dynamiczna, ciągła, pojawiająca się Zachowanie i hamowanie wiedzy są wynikiem

dynamicznego przetwarzania informacji raczej niż z gory ustalonych struktur oddziaływań

Rozpoznanie polega na umiejętności odróżnienia wcześniej nauczonych pobudzeń od nowych, nieznanych pobudzeń

Hipokamp zapewnia wysokiej jakości rozpoznanie o wysokim progu gwarantującym kojarzenie poznanych wcześniej pobudzeń

Torowanie przyczynia się do powolnego budowania niezmienniczych reprezentacji

Dwa mechanizmy uczenia W oparciu o wagi połączeń W oparciu o aktywizacje neuronow

EE14127

PodsumowaniePodsumowaniePodsumowaniePodsumowanie Kora wspomaga rozpoznanie naprowadzając na ślad Kora prowadzi do nie stymulowanych skojarzeń Kora odpowiedzialna jest za pamięć roboczą

współdziałając z hipokampem Sekwencje zgrupowanych reprezentacji przechowane

są w pamięci długoterminowej Pamięć oparta o aktywizacje wymaga połączenia

szybkiego uaktualniania z ze stabilna reprezentacja Hipokamp używa rzadkich odseparowanych

reprezentacji do szybkiego uczenia bez mieszania pojęć

Torowanie (ślad) pamięci może być długoterminowe (w oparciu o wagi) lub krótkoterminowe (w oparciu o aktywizacje)