|
Włodzisław Duch |
 |
|
Włodzisław Duch |
|
| Motto (Woody Allen): The brain is second on the list of my favorite organs. |  |
Czy fizyka wystarczy jako podstawa do zrozumienia rzeczywistości?
Czy jest w naszym rozumieniu świata miejsce dla umysłu?
“... bardzo chcę, by się to nam nigdy nie udało” (Ł. Turski o zrozumieniu umysłu, recenzja książki R. Penrose'a “Nowy umysł cesarza”, Postępy Fizyki, 1996)
Świadomość: problem dyskutowany głównie przez filozofów.
Ogromne pomieszanie pojęć i poglądów w kwestii umysłu, świadomości, nieświadomości.
Funkcjonalizm - stany psychologiczne są niezależne od stanów mózgu, analogia software-hardware.
Popularność filozofujących matematyków, modeli kwantowych - demonizacja problemu świadomości.
Odpowiedzialni za pomieszanie pojęć: fizycy i filozofowie.
Fechner, Helmholtz, James, Jackson, Wundt - psychologia badaniem świadomości.
Behawioryzm - świadomość stała się "nienaukowa".
Donald Hebb, "Organization of Behavior" (1949) - niektóre zjawiska psychologiczne (percepcja, uczenie się, pamięć, zaburzenia afektywne) tłumaczy neurofizjologia.
Lata 1990: badania nad świadomością wkroczyły do głównego nurtu nauki.
4 konferencje, od 1996, University of Arizona w Tucson: Baars, Edelman, Engel, Freeman, Koch, Kosslyn, von Marlsburg, O'Keefe, Pribram, Taylor, Varela, Weiskrantz ...
Powstanie "Association for the Scientific Study of Consciousness" i organizowane przez nich konferencje.
Artykuł F. Cricka i C. Kocha, Seminars in the Neurosciences (1990): problem świadomości wzrokowej.
Powstanie szeregu nowych pism specjalistycznych
i artykuły w pismach istniejących:
|  |
Co chemy wyjaśnić?
"Świadomość" - słowo używane jest w wielu różnych znaczeniach i kontekstach.
W różnych językach różne konteksty, np. rozróżnienie consciousness - awareness nie jest tak jasne jak polskie świadomość - przytomność.
Język potoczny - odwołania do homunculusa, aktywnego podmiotu; prawdopodobnie są błędne.
Potrzebna jest konkretyzacja pojęć języka potocznego.
Czy świadomość da się sprowadzić do uwagi, pamięci roboczej lub percepcji?
Rozróżnienie działanie-doświadczanie, procesy aktywne i pasywne - użyteczne?
Np. wrażenia czucia, widzenia, słyszenia i czynności dotykania, patrzenia i słuchania.
Pamięć robocza (working memory) i świadomość stanowiąca jej aktywny element?
Proces koordynacji informacji bieżącej percepcji i pamięci epizodycznej zdarzeń przeszłych.
Pamięć robocza (WM) - zbiór "obiektów umysłu", świadomość - aktywny proces kojarzenia, refleksji i wolicjonalnej oceny.
Czy WM konieczna jest do powstania wrażeń świadomych? Może wystarczy pamięć ikonograficzna?
Rola świadomości wzrokowej (Crick, Koch 1995): umożliwia interpretację złożonych scen w świetle przeszłych doświadczeń i udostępnia obszarom mózgu zajmujących się planowaniem i działaniem utrzymując dostatecznie długo.
Informacja i jawne reprezentacje różnych aspektów wrażeń wzrokowych: niewielkie (ca. 1000) grupy neuronów, których aktywność skorelowana jest z jakimś aspektem wrażeń świadomych (NCC, Neural Correlate of Consciousness).
Teoria globalnej przestrzeni roboczej (Global Workspace, GW) B. Baarsa może być tak rozumiana.
Uwaga stwarza dostęp do GW zawierającej percepty, intencje, pragnienia ...
Świadomość: proces nadrzędny, powiadamia struktury mózgu o zawartości GW, zbiera komentarze od nieświadomych procesorów.
Strumień świadomości (przeżywane wrażenia) = treści pamięci roboczej.
Kontrast zjawisk związanych z działaniem świadomym i nieświadomym i badanie związanych z nimi stanów mózgu, np.
Cerebral Cortex 1998, Francis Crick and Christoph Koch, "Consciousness and Neuroscience".
... neuroscientists acknowledge that consciousness exists, and that at present it is something of a mystery.
Most of them do not attempt to study it, mainly for one of two reasons:
(1) They consider it to be a philosophical problem, and so best left to philosophers.
(2) They concede that it is a scientific problem, but think it is premature to study it now.
It is probable that at any moment some active neuronal processes in your head correlate with consciousness, while others do not; what is the difference between them?
Cel: poszukiwanie korelacji aktywności neuronów z świadomymi wrażeniami, NCC.
|
Trudno znaleźć neurofizjologiczne korelaty wrażeń świadomych.
Rozdzielczość czasowa fMRI lub PET nie jest wystarczająca do zaobserwowania korelacji. Analiza EEG i MEG daje małą rozdzielczość przestrzenną. Aktywność tylko niektórych neuronów jest skorelowana z danym wrażeniem wzrokowym. Aktywność neuronów w STS makaka (Sheinberg i Logothetis 1997): górny rząd - prawe oko widzi słoneczko, brak pobudzenia, zdjęcie małpy daje silne pobudzenie. dolny rząd - prawe oko widzi "efktywny" bodziec, pojawia się nieefektywny bodziec widziany przez lewe oko, małpa sygnalizuje widzenie tego bodźca i aktywność neuronu zanika; w sytuacji odwrotnej aktywność pojawia się. |
|
| Przykład: eksperyment ze znikającym kotem.
Jednym okiem obserwujemy kota, drugie widzi jednolicie oświetloną powierzchnię ściany w lustrze. |
 |
| Poruszamy ręką tak, by ja zobaczyć na jednolitym tle.
Kot częściowo znika - uwaga, a więc moc mózgu poświęcona przetwarzaniu bodźców, skupia się nad sygnałami dochodzącymi z jednego oka |
|
Brak podobnych korelacji dla neuronów z V1-V4.
Nie tylko jawna reprezentacja aspektów wrażeń wzrokowych ale i projekcja do obszarów przedczołowych i limbicznych.
Wniosek: bez kory przedczołowej nie będzie świadomości wzrokowej!
Nakamura i Mishkin 1986 - tak jest u małp.
NCC: jawna reprezentacja, długi czas trwania, połaczenia eferentne z obszarami wykorzystującymi te informacje do planowania.
Malsburg (1981), Crick i Koch (1990): problem scalania (the binding problem) aktywności różnych obszarów kory wzrokowej w procesie widzenia.
C. von der Malsburg, Binding in models of perception and brain function.
Current Opinions in Neurobiolgy 5 (1995) 520-526.
Scalanie aktywności wymaga synchronizacji wyładowań neuronów.
Różne obszary mogą prowadzić analizę specyficznych aspektów bodźców zmysłowych z różną szybkością.
Singer (1994): Możliwe, że tylko te pobudzenia przekraczają próg świadomości, które są dostatecznie zorganizowane i koherentne.
Hipoteza: za scalanie odpowiedzialne są oscylacje rzędu 40 Hz.
Z problemem scalania związany jest problem stabilności ze względu na konkurujące pobudzenia.
Status hipotezy 40 Hz opisany jest w numerze specjalnym "Temporal Binding", pisma Consciousness and Cognition czerwiec 1999.
Korelacje aktywności tylko tych obszarów, w których istnieją stabilne, niezmiennicze reprezentacje perceptów.
| Rywalizacja obuoczna u małp: brak korelacji wrażeń wzrokowych i aktywności V1, V2, V4, MT; korelacja 95% neuronów w IT, STS.
Podobne wyniki za pomocą MEG u ludzi. Szlak grzbietowy: niezależny od świadomości, pomimo agnozji wzrokowej prawidłowe działanie. Szlak brzuszny: wrażenia wzrokowe, a więc nie wszystkie obszary mózgu odpowiedzialne są za wrażenia świadome. Alternatywna interpretacja: szlak grzbietowy prowadzi do ciemieniowo-przedruchowej drogi nieświadomej ekspresji, szlak brzuszny zmierza przez korę przedczołową do obszarów przedruchowych. |
 |
Korelacje synchronizacji 40 Hz i wrażeń świadomych nie występują we wszystkich eksperymentach.
Newman i Grace: integracja i filtrowanie różnych perceptów scalonych za pomocą synchronizacji rozproszonych grup neuronów w pamięci roboczej.
Synchronizacja w IT, korze przedczołowej: dzięki procesom selekcji (gating) w układzie limbicznym, brzusznej części prążkowia (zwłaszcza jądra półleżącego) i jądra siatkowatego wzgórza (NRT).
"Rozszerzony siatkowato-wzgórzowy schemat aktywacji" (Extended Reticulo-Thalamic Activation System, ERTAS).
NRT odpowiedzialne za procesy selektywnej uwagi.
Kontrola NRT przez korę i kory przez NRT; znacznie silniejsze projekcje aferentne niż eferentne.
Świadomość jako filtr informacji istotnych, pamiętanych?
Najważniejsze informacje pojawiają się w pamięci roboczej, scalającej stan obszarów wpływających na kontrolę zachowania.
Habituacja powoduje zanikanie skorelowanej z danym bodźcem aktywności poza obszarami sensorycznymi.
Pamięć epizodyczna - zapis stanu pamięci roboczej, pozwala go odtworzyć umożliwiając użyteczne skojarzenia.
Które obszary mogą skutecznie oddziaływać w okienku czasowym rzędu ułamków sekund?
Jak skorelować aktywność EEG z subiektywnymi wrażeniami?
Tononi i Edelman (1998): scalenie wrażeń i zróżnicowanie, szybkie zmiany przeżywanych, złożonych epizodów.
Miara złożoności neuronalnej CN(X): duża złożoność oznacza współistnienie specjalizacji funkcjonalnej elementów należących do aktywnych skupień, przyjmujących liczne, wzajemnie od siebie zależne stany.
Najbardziej interesujące zachowania i duże współczynniki CN(X) dla "naturalnej" topografii sieci połączeń neuronów, niewielkie dla innych topografii.
Gęste przypadkowe połączenia dają hipersynchroniczne pobudzenia o niewielkim zróżnicowaniu.
Rzadkie połączenia dają chaotyczne, zróżnicowane, ale niezależne od siebie pobudzenia, niewielka złożoność.
Mapy MEG (w pikoteslach) różnic aktywności i koherencji kory dla dwóch sytuacji. Badani widzą lewym okiem pionową siatkę linii migających z częstością 7,4 Hz, a prawym okiem poziomą siatkę migoczącą z częstością 9,5 Hz. Różnice dotyczą sytuacji w której badani widzą siatkę pionową a nie poziomą. Zielonymi kanałami zaznaczono kanały o dobrym stosunku sygnału do szumu o współczynnikach koherencji >0.3 z przynajmniej jednym innym kanałem. Wzrost (spadek) koherencji zaznaczono łącząc kanały jasno-(ciemno-)niebieskimi liniami. Widać znaczne różnice pomiędzy dwoma badanymi. |
 |
Crick (1984): reprezentacja kombinacji cech oglądanego obiektu (sceny) może być wynikiem aktywacji:
"transient cell assemblies ... by ...internal attentional searchlight ... controlled by the reticular complex of the thalamus".
Stephen Grossberg: świadomość, uczenie się, uwaga są ściśle związane.
Wszystkie stany świadome są stanami rezonansowymi (ale nie odwrotnie).
Rezonans pomiędzy oczekiwaniami (strumień zstępujący) i faktami (strumień wstępujący).
Mózg uczy się tworzyć oczekiwania, stąd Adaptacyjna Teoria Rezonansu (ART).
ART rozwiązuje problem stabilności-plastyczności uczenia się nowych, często sprzecznych informacji.
Nowa wiedza powstaje w kontekście już znanej, dzięki stanom rezonansowym.
Stabilność uczenia implikuje jego intencjonalność, uczenie oparte jest na oczekiwaniach wobec świata.
Oczekiwania są podstawą mechanizmu uwagi, wyboru "interesujących" danych.
Torowanie (priming) dzięki lokalnym stanom rezonansowym.
|
Przykład modelu ART w którym widać interakcje orientacji i uwagi.
Poziom F1 otrzymuje sygnały wejściowe i tworzy ich reprezentację w postaci informacji o pobudzeniach w pamięci krótkotrwałej (STM). Poziom F2 koduje te zdarzenia w bardziej zwartej formie odwołując się do pamięci długotrwałej (LTM). Oczekiwania zwiazane są z pobudzeniami wysyłanymi z F1 i porównywane z informacją wychodzącą z F2; jeśli rozmijają się w stopniu ocenianym za pomocą "parametru czuwania" (vigilance) rozpoczyna się poszukiwanie innych śladów pamięci; jeśli system nie znajduje niczego dostatecznie podobnego uruchamiany jest proces uczenia. |
 |
Procesy rezonansowe na różnych poziomach: orientacja gałek ocznych, słuchowym, procesów czuciowych, procesów warunkowania klasycznego i interakcji kognitywno-afektywnych.
AR: "dopasowanie pobudzające", procesy motoryczne, ustalanie położenia - komplementarne procesy dopasowania hamującego.
Kompetencje motoryczne, mapy topograficzne - stabilne, doskonalone w ciągły sposób.
Brak stanów rezonansowych => pamięć proceduralna nieświadoma.
Amnezja następcza nie zaburza pamięci proceduralnej.
Agnozje nie są skorelowane z ataksjami lub niezdolnością do uczenia się czynności manualnych.
Procesy wykorzystujące uczenie konkurencyjne lub porównywanie z prototypami są nieświadome.
ART wyjaśnia iluzje wzrokowe, akustyczne, tworzenie kategorii, integrację wrażeń w okienkach czasowych.
"It was found that the ...eel is on the ..."
Słyszymy zdania: "peel is on the orange", "wheel is on the wagon", "heel is on the shoe", "meal is on the table".
Wrażenia są wynikiem odwoływania się do wiedzy istniejącej w pamięci długotrwałej.
Dzięki oczekiwaniom z szumu wybierane są odpowiednie formanty (konkluzja eksperymentów psychofizycznych).
Oczekiwania i dane wytwarzają stan rezonansowy, przedłużający i nasilający pobudzenia, łączący fonetykę z semantyką zdania lub dopełniający wrażenie dźwięku.
ART - rozwiązuje problem scalania dla wrażeń wzrokowych i innych.
Szum przyśpiesza synchronizację i tworzenie stabilnych perceptów (perceptual framing) - rodzaj rezonansu stoachastycznego.
Raczej modelowanie psychofizyki, niezbyt neurofizjologii.
John Taylor (1998): porównanie własności charakteryzujących przeżycia świadome i aktywności neuronowej.
Qualia, monadyczne własności wrażeń - nie chodzi o przetwarzanie informacji.
Wrażenia: są obecne, trwają, mają okres latencji, niespostrzeżenie przechodzą w inne.
Intencjonalność stanów psychicznych, wskazujących na coś w świecie.
Postrzeganie całości (gestalt).
Rozróżnienie wrażeń centralnych i peryferyjnych.
Kryteria, jakie powinny spełniać modele neuronowe by odpowiadać własnościom wrażeń. | Świadome wrażenia | Odpowiednik dynamiczny |
| 1. "Przezroczystość" świadomych wrażeń | |
| a) "Patrzenie przez wrażenia" | dostępność uświadomionej informacji |
| b) interpretowalność | na najwyższym poziomie reprezentacji |
| c) niezgłębialność | nieodwracalność procesów tworzenia reprezentacji |
| d) wewnętrzność | stany zależne od wzajemnych relacji i pamięci |
| e) bezzwłoczność | aktywacja progowa |
| 2. Perspektywa | |
| a) własny punkt widzenia | dostępność wrażeń dla modułów "ego" |
| b) centralność, skupienie wokół "ja" | dostępność wrażeń dla modułów "ego" |
| c) "ja" nieskończenie blisko "siebie" | moduły "ego" niezależne od mechanizmów świadomości |
| d) prywatność | istnienie warstw ukrytych |
| e) brak ziarnistości | ciągłe mapy topograficzne |
| f) nieprzenikalność poznawcza | niedostępność aktywności na niższym poziomie dla modułów "ego" |
| 3. Obecność | |
| a) trwałość | ciągłość działania aktywności odpowiedzialnej za świadomość |
| b) latencja | wzbudzenie powyżej progu (lub utworzenie stanów atraktorowych) zajmuje czas |
| c) ciągłość zmian charakteru wrażeń | ciągłość działania |
| 4. Jedność | |
| a) jedność przeżycia w danym momencie | synchronizacja działania odległych modułów odpowiedzialnych za świadomość |
| b) spójność w czasie | synchronizacja działania odległych modułów w różnych chwilach czasu |
| 5. Intencjonalność | |
| a) wymaga manipulowalnych reprezentacji | reprezentacje przekształcane przez wewnętrzne działania i porównywane z wzorcami |
"Patrzenie przez wrażenia" - system łączący moduły dostarczające dane związane z wrażeniami i moduły odpowiedzialne za reprezentację perspektywy egocentrycznej.
Przestrzenne, czasowe i emergentne własności konieczne do powstania przeżyć wewnętrznych, podając rodzaje sieci neuronowych, jakie mogą realizować tego typu funkcje.
Własności topograficzne: samoorganizujące się mapy neuronów.
Własności temporalne, trwanie, latencja i przejścia między wrażeniami: lokalne sieci rekurencyjne konkurujących ze sobą neuronów z dynamiką, w której przejścia między stanami atraktorowymi są dostatecznie szybkie w porównaniu z czasem przebywania w poszczególnych stanach.
Własności emergentne: "bąble aktywności", odpowiadające wrażeniom powstającym na najwyższym poziomie hierarchii modułów systemu.
Bąble aktywności, zlokalizowane pobudzenia, w 2-D modelach ciągłych.
Bąble trwają przez skończony czas po zniknięciu sygnałów.
| Własności dynamiczne i ich realizacja za pomocą sieci neuronowych | |
| 1. Własności przestrzenne | |
| a) mapy topograficzne | modele SOMF |
| b) zlokalizowane reprezentacje/moduły | ciągłe modele SOFM |
| c) silne sprzężenie między modułami i z modułami wyższego poziomu | silne połączenia między modułami |
| 2. Własności czasowe | |
| a) skończony czas trwania | lokalna rekurencja |
| b) latencja | globalna konkurencja między modułami |
| c) ciągłe przejścia pomiędzy różnymi wrażeniami | dynamika z szybkimi przejściami |
| 3. Własności emergentne | |
| a) jednokierunkowość | dynamika atraktorowa zaciera ślady swojego pochodzenia |
| b) wrażenia powstają na najwyższym poziomie hierarchii | bąble aktywności powstające na najwyższym poziomie przetwarzania |
| c) szybkie pojawianie się | dynamika z szybkimi przejściami do metastabilnych stanów |
| d) niezgłębialność, brak wglądu w niższe poziomy | dynamika atraktorowa, ciąg kolejnych wrażeń, bez możliwości prześledzenia skąd się biorą. |
| Kontrola konkurencji: sama kora nie wystarczy.
Jądro siatkowate (NRT), trójwarstwowa sieć hamujących neuronów, "strażnik bramy". NRT ma obustronne połączenia ze wszystkimi obszarami kory oraz pozostałymi częściami wzgórza. Symulacje (Taylor, Alavi): 100 pętli TC, uczenie konkurencyjne, oscylacje całej sieci zgodne z częstościami wejsciowymi. Wzgórze-NRT działa jak przestrzenny filtr Fourierowski. Przejścia pomiędzy stanami atraktorowymi w układzie NRT-kora-wzgórze mają odpowiednie własności. |
 |
Ciągłe pole neuronalne (Continuum Neural Field Theory, CNFT): powstają bąble aktywności.
| 
|
Które obszary mózgu utrzymują bezpośrednio za treść świadomości?
Taylor proponuje tu boczne części płatów ciemieniowych.
Mapa czasów życia bąbli aktywności w różnych częściach kory (MEG lub EEG)?
Treść wrażeń wynika z wzajemnych relacji powstających stanów i stanów zapamiętanych.
Inne modele:
Lester Ingberg, Statistical Mechanics of Neural Interactions (SMNI); model pamieci krótkotrwałej?
Gerald Edelman: świadomość pierwotna rezultatem sprzężenia pamięci wartości i kategorii.
Baars - globalna przestrzeń robocza.
Dlaczego stany mózgu miałyby prowadzić do powstania świadomości?
Dlaczego nie jesteśmy jak zombi?
Typowe zadanie: porównać nowy smak z zapamiętanymi w LTM.
Reprezentacja wrażenia smaku musi zostać udostępniona wszystkim obszarom mózgu.
Musi istnieć w WM dostatecznie długo, by nastąpiły procesy skojarzeniowe (rezonans, interferencja reprezentacji).
Świadomość pierwotna: ciągła, niewerbalna aktualizacja reprezentacji wrażeń smakowych w pamięci roboczej o niewielkiej pojemności.
Reprezentacja "ubrana" w skojarzenia wynikające z rezonansowych pobudzeń - analogie z komputerami nie są poprawne.
O zachowaniu i przeżyciu decyduje dyskryminacja reprezentacji wrażeń smakowych.
Zdolność do werbalnego komentowania stanów WM: świadomość refleksyjna.
Wrażenia: fizyczne stany pamięci roboczej.
Każdy model mózgu działający na podobnej zasadzie musi twierdzić, że jest świadomy swoich wrażeń.
Wrażenia będą miały cechy podobne do opisanych przez Taylora.
Struktura potencjalnie dostępnych stanów pamięci roboczej tworzy "przestrzeń wewnętrzną" dla subiektywności.
When all is said and done, more is said than done ...
Jak tworzyć modele "sięgające umysłu"?
Seria przybliżeń, od poziomu molekularnego, przez pojedyncze neurony, grupy neuronów, sieci neuronowe z rekurencją, do probabilistycznych lub deterministycznych reguł zachowania.
Brak modeli wiążących model działania umysłu na poziomie psychologicznym z neurofizjologicznym: można tego dokonać w oparciu o przestrzenie psychologiczne.
Modele oparte na neurofizjologicznie poprawnych, impulsujących neuronach, wykazują jakościowe zachowania, które można odtworzyć w modelach uproszczonych.
Psychiatria komputerowa: zaburzenia pamięci, sposobów używania i rozumienia mowy, zaburzeń neurologicznych i chorób psychicznych; coraz bardziej użyteczna.
Modele i spekulacje są na obecnym etapie niezbędne, ale kluczowa jest weryfikacja eksperymentalna.
Ten referat: https://www.is.umk.pl/~duch/ref/PL/Swiadomosc/00-ptbun/00ptbun.html
Archiwa do nauk kognitywnych: AI, modeli kognitywnych, lingwistyki, filozofii, psychologii, psychofizyki ... https://www.is.umk.pl/~duch/cognitive.html
Nauki kognitywne na UMK (projekt) https://www.cc.uni.torun.pl/~cogsci/cogsci.htm
Pismo "Kognitywistyka i media w edukacji" https://www.ped.uni.torun.pl/kognityw/a>
Do sieci neuronowych, neurobiologii i matematyki https://www.is.umk.pl/~duch/neural.html
Wszystko o komputerach, oprogramowaniu, Internecie ... https://www.is.umk.pl/~duch/book-fsk.html
