Abstrakce a mozek

Original page: http://www.tcm.phy.cam.ac.uk/~bdj10/papers/messina2001.html

Brian D. Josephson
Katedra fyziky, Univerzita v Cambridge

Toto je leták, který doprovázel dokument představený na konferenci Messina z prosince 2001 o Horizontech v komplexních systémech. V současné době představuje pouze základní pojmy. Navrhuje, aby jedna klíčová myšlenka představovala klíč k pochopení mozku, a to skutečnost, že abstrakce jsou možné. Konkrétní abstrakce relevantní pro konkrétní aspekty přírody definují vzory, které jsou schopny zvládnout tyto aspekty přírody. Úkol vysvětlit mozek se tak omezuje na zkoumání abstrakcí, příslušných vzájemných vztahů a odpovídajících konstrukčních prvků.

Podrobnější popis některých aspektů myšlenek prezentovaných v této přednášce lze nalézt v režijních nákladech pro předchozí přednášku s názvem Relevantnost matematiky pro fungování mozku.


domovská stránka

Tento článek se týká pochopení toho, jak velmi složitá struktura, která je lidský mozek je schopen dosáhnout pokročilé dovednosti, jako je používání jazyka. Z existujících přístupů k porozumění nervový systém fungoval, jeden důležitý je, že z experimentálních studií mozku a chování, a druhý, který na základě počítačového modelování neuronových sítí (např Elman a další). Ani nabídek pohledy na jemnosti dovednosti, jako je jazyk, bývalý protože nervová soustava obvodů může představovat takové chování za pouhých kvalitativního hlediska, a druhý proto, že chování, které bylo praktické, aby simulovaly zahrnuje pouze spíše základní aspekty jazykové chování a nikoliv vůbec jasné, jak podstatně složitější aspekty jazyka mají být modelovány. Třetí možností je, že Minského společnosti mysli, která zahrnuje diskusi o způsobech, ve kterých neuronové sítě by mohly napodobit druhy chování vystavoval pomocí běžných počítačových programů. Takové programy jsou schopny modelovat složitost chování do určité míry, ale přístup trpí dvěma nevýhodami, zaprvé v tom, že běžné počítačové programy obecně neposkytují dobrý model pro mozkové procesy a vážněji v tom, že vývojové procesy, které vedou k osvojování dovedností je v modelu diskutováno pouze ve velmi omezené míře.

Následující postup, inspirovaný hlavně myšlenkami pracovníků, jako jsou Baas (hyperstructures a pozorovatele mechanismu), Ehresmann a Vanbremeersch (relační) a aspekty Karmiloff-Smith (experimentálně motivován pojmy, jako je aktivita domény relevantní a zástupné redescription), má velmi odlišný charakter. Zaměřuje se na význam abstrakcí a vztahy k záležitostem designu. Jednoduchý příklad je poskytována Ohmova zákona, V = IR, kde V, I, a R značí napětí přes odpor, proud skrz a odporu, resp. Zde subjekty symbolizované V, I a R jsou abstraktní entity v systému ztělesňující jeden vztah, a sice, že zadaný Ohmova zákona. Fyzický odpor, který splňuje Ohmův zákon umožňuje realizaci tohoto abstraktního systému. Designy široce využívají realizace abstraktních schémat, jako jsou rezistory a mikroprocesory, protože mohou využívat vlastnosti, které tyto systémy mají díky takové realizaci. Vlastnosti spojené s realizací konkrétních abstraktních schémat se naopak objevují ve vysvětlení návrhů; v praxi se štítky nebo popisné účty používají k označení toho, že se konkrétní režimy používají.

V případech, jako je odpor rezistoru, je skutečnost, že dané abstrakční schéma platí, známa experimentem nebo fyzikální teorií, ale v případě mikroprocesoru je známo logickým odvozením, vlastnosti složek v souladu se schématy, které se předpokládají aplikovat na ně implikující vlastnosti celku. V redukcionistické analýze je tedy „přizpůsobení se abstrakčnímu schématu“ něco, co se šíří vzhůru a umožňuje nám ve vhodných případech dovodit, jak vysoce komplexní systémy by se měly chovat. Zajištění platnosti těchto závěrů je podstatou designu, který se skládá ze seznamu abstrakčních schémat, v kombinaci se specifikací mechanismů, které zajišťují jejich shodu.

Stejné myšlenky platí stejně dobře, ale v méně přísném smyslu a jako idealizace, pro biosystémy. Stejně jako mechanismy obsahují součásti různých druhů, přičemž každý typ odpovídá určitému schématu abstrakcí, které odpovídá našemu pochopení typů dotčených entit. Konstrukční aspekt sestává z různých mechanismů, které pomáhají dotčeným systémům přizpůsobit se jejich konkrétním abstrakčním schématům. Biosystémy se liší od strojů v tom, že dotčeným subjektům často chybí formální specifikace, jejich vlastnosti jsou odvozeny z vyšetřování případů dotčených subjektů, které se vyskytují v přírodě. Inference, které se podílejí na přechodu z jedné úrovně popisu na druhou, jsou podobně typicky nekompromisní, místo toho jsou založeny na řadě myšlenek ospravedlnitelných různými způsoby. Díky tomu je vědecký proces spíše než pouhý odhad, že různé učiněné předpoklady jsou otevřeny experimentálnímu testování a případně zdokonalení a nahrazení lepším účtem.

Je rozumné jako pracovní hypotézu, postulovat, že vysvětlení stejné obecné povahy by se vztahovala stejně dobře na nervovou činnost systému. Důsledkem je, že nervový systém, ve svém prostředí, je schopný být charakterizována jako hierarchie systémů je shodné s řadou abstractional režimů, konstrukce je taková, že způsobí dotyčným tendenci odpovídat různých systémů systémy. Tato charakteristika může být užitečné v porovnání s konvenčními počítačové systémy, které také závisí na systémy, které jsou v souladu s uvedenými abstraktní režimy, jako je například jeden, čímž posílá kód pro znak na příslušné soustavy vede k dotyčnému se zobrazí na obrazovce charakter. Rozdíl mezi mozkem a počítačem, je, že v případě, že v počítači příslušné systémy jsou definovány přímo (kompilované) programu, zatímco v případě mozku většina systémů jsou v souladu s uvedenými abstrakcí jsou vytvořeny procesem vývoj, konstrukce a tím se stanoví podrobnosti systému nepřímo, nikoliv přímo jako v případě počítačového programu.

Abstrakce, kterých se zabýváme, se obvykle týkají konkrétních nervových obvodů nebo systémů a jejich chování v daném prostředí, a jsou tedy podobné abstrakcím vztahujícím se k počítačovému softwaru. Existence takových systémů, logicky propojených různými způsoby, které vedou k vysvětlení komplexního chování, je naším klíčovým předpokladem. Jejich existence je považována za produkt účinného designu, který navazuje na procesy evoluce a ztělesňuje řadu generativních systémů, které samy o sobě tyto odvozené systémy v průběhu vývoje nebo učení získávají. Příklady jsou generativní systémy pro získávání schopnosti udržovat rovnováhu, pro přijímání kroků nebo pro definování tras.

Tento předpoklad je podobný konceptu modularizace Karmiloff-Smith, rozdíly spočívající v další skutečnosti, že zde je podrobný návrh dotyčného hardwaru považován za řízený abstrakčními schématy, a také myšlenkou, že modularizace může být účinná u řady úrovně. Logika spojení mezi designem a abstrakčními schématy spočívá v tom, že efektivní návrhy jsou založeny na teorii, zatímco teorie jsou formulovány v abstrakčních schématech. Na druhé straně víceúrovňové schopnosti spojené s abstrakčními schématy zahrnují v podstatě skutečnost, že jeden matematický systém může obsahovat entity, na nichž může být založen jiný systém, jako například když například ze souboru všech transformací extrahujeme podmnožinu sestávající z všech lineárních transformací, soubor, který je spojen s jeho matematickými schématy. Aplikace na kognitivní procesy spočívá v tom, že vývojový proces může mít své výsledné „cílové procesy“ předmětem svých vlastních zjednodušujících abstrakcí. Například jeden aspekt učení se chůze spočívá v naučení se chůze přímo do viditelného cíle. Tento výsledek má obzvláště jednoduchou abstraktní specifikaci, která může tvořit základ vyšších kapacit, jako je nepřímý přechod na vzdálenější místo prostřednictvím řady přechodných destinací. Abstrakční schéma týkající se posledně jmenovaného se týká otázek jako přímé dostupnosti jednoho bodu na sekvenčně definované trase z předchozího.

Jeden může jít do otázky designu pro specifikovaný výsledek hlouběji, zatímco ještě mluví obecně, tím, že (a) že odkazy a nervové procesy v nervovém obvodu definují vztahy, zatímco (b) že všechny vztahy spojené s obvodem jsou určeny základními vztahy podle (a). Změna jednoho ze základních vztahů má specifický účinek na všechny ostatní vztahy, v zásadě umožňuje existenci mechanismů pro vytvoření systému, který bude systematicky vyhovovat některým cílovým podmínkám. Úspěšné návrhy jsou takové, které toho dosahují.

Výše uvedené není zamýšleno jako prohlášení o tom, co je úspěšný design, ale je to objasnění toho, jak úspěšné designy fungují, což je zásadní pro pochopení toho, jak mohou být zde vyvinuté koncepty využity k pochopení složitosti mozku, přičemž klíčem k tomu je použití dostupných informací k určení toho, jaké jsou abstrakce, na nichž jsou založeny různé součásti návrhu.

Nakonec se vracíme k problému, se kterým jsme začali, k procesům spojeným s jazykem, kde je sporné, zda existují specifické mechanismy pro jazyk (nativistické tvrzení, spojené s existencí lingvistických univerzálů), nebo zda přicházejí jazykové schopnosti asi v důsledku obecných mechanismů učení v prostředí, kde je přítomen jazyk (konstruktivistická hypotéza), nebo nějaká střední hypotéza. Tento obrázek nás vede k hypotéze, že konstrukce mozku je spojena s řadou abstrakcí souvisejících s jazykem, jejichž použití usnadňuje rozvoj schopnosti používat jazyk. Existuje spojení s prací růžovější, který hovoří zákonitosti jazyka v souvislosti s jeho účinnost, a navrhuje, aby vrozené mechanismy zprostředkovávají tyto zákonitosti. Také využíváme konceptu Karmiloff-Smith ze reprezentační redescription (RR), a začne na náš účet v tomto rámci, podle které informace je zastoupena v několika různých formátech, v různých časech, vyspělejší formát přichází do hry následující po více elementární druhá s ním byla zvládnuta v daném kontextu. Tato myšlenka může být užitečné ve vztahu k odběru rovnocennosti, Přičemž mohou být k dispozici pro reprezentovat stejné informace, které se liší od sebe navzájem, pokud jde o zvláštních vlastnostech a ve způsobech, ve kterých mohou být použity různé prostředky.

V Mimo Modularita, o nichž se hovoří Karmiloff-Smith ve velmi podrobně, jak lze tento systém RR vztahující se k pozorování vývoje. V následujícím textu se místo toho zaměřujeme velmi obecně, jak může souviset s fungováním jazyka. Důležitý koncept je následující: ze stávající reprezentace A, platné v situaci S, může být vyvinut jiný, ale prozatímně ekvivalentní alternativní způsob reprezentace B. Data aab v reprezentacích A a B se vztahují v rámci nějakého abstrakčního schématu, který definuje design systému, který generuje b z a. Tento systém může zahrnovat část, která ověřuje rovnocennost A a B podle schématu. Pak se může pokusit najít něco v nové situaci S ‘a’, řekněme, která je operativně ekvivalentní b v nové situaci (a tak nepřímo ekvivalentní a). Je tedy možné přizpůsobit opatření v situaci S nové situaci vhodnými kritérii rovnocennosti. Stejné vyobrazení b platí pro obě činnosti, takže je lze považovat za zobecnění.

Činnost se tak rozvíjí na abstraktní pozadí. Může být časem rozšířeno na činnost plánování, kde člověk vyvíjí procesy na úrovni B, které jsou rovnocenné procesům na úrovni A. Rovnocennost pak může být použita k vyzkoušení procesu na úrovni B před jeho uzákoněním na úrovni A.

Takové procesy lze nyní předpokládat na jemnější úrovni, řekněme C, kde reprezentace mají symboličtější charakter, včetně zejména symbolů vztahů. Jinými slovy, vztahy, které byly výslovně uvedeny na úrovni B, jsou označeny v souladu s přidruženým tokenem na úrovni C. Výslovně symbolický vztah je sám o sobě abstrakcí, která může určit návrh obvodů k jeho implementaci. Tyto abstraktnější reprezentace lze zkoumat pro jejich užitečnost a použít k dalšímu rozšíření možností.

Jazyk je opět jemnější úrovní, charakterizovanou skutečností, že zahrnuje procesy kódování nebo ekvivalentní postupy pro definování rovnocennosti, které lze přizpůsobit potřebám. Systém odvozuje svou sílu ze skutečnosti, že ztělesňuje řadu možností propojení řetězců znaků s různými mocnými reprezentacemi na jiných úrovních. Vývoj jazyka je v podstatě zkoušením různých možností a zkoumáním toho, co mohou dělat. Jednou z možností je jednoduše přiřazení názvu k něčemu, a další vazba jednotlivých forem na jazykové úrovni formy na jiných úrovních podle pravidla specifické, tyto dva jsou hlavním základem expresivní sílu jazyka podle Pinker. Tyto procesy mohou být ubytováni v rámci jednotlivých abstractional programů spojených s univerzální gramatiky, který určuje, jaký druh nervové obvody by provádění takových systémů.

Podrobněji se předpokládá, že jazyk je založen na rovnocennosti informací představovaných jako jazyk a informací vyjádřených na jiných úrovních. Ekvivalence je záležitostí jak definice (a fungování mozkových translačních mechanismů pro stanovení ekvivalence), tak pragmatiky jazyka jako komunikace. Jinými slovy, použití jazyka předpokládá, že posluchač vytvoří ekvivalent a bude náchylný jednat, jako by informace pocházely z jiného zdroje, což poskytuje test, zda byl překlad proveden správně. Jinými slovy, správný překlad by měl vytvořit „myšlenku“, která odpovídá požadavkům současné situace.

Otázkou nyní je, zda takové nápady postačují k vytvoření něčeho podobného jazyka, který se přirozeně vyskytuje. To vyžaduje zejména správnou syntaktickou analýzu a vytvoření odpovídajících odpovídajících datových struktur. Odpověď, na kterou bychom doufali, by byla následující: Jazykový systém (nebo přesněji jazykové procesy uživatelů) definuje určité ekvivalence, které tvoří základ jeho použití. Poměrně jednoduché případy umožňují uživatelům určit, které ekvivalence jsou součástí jazyka, a vybudovat si vlastní překladové systémy (na základě mechanismů přizpůsobených různým druhům abstrakcí zapojených do ekvivalence). Díky použití zařízení, jako je pracovní paměť, mohou tyto systémy zvládnout složitý jazyk stejně dobře, ale zvýšená složitost přináší větší riziko chyb. Uživatelé jazyka však přizpůsobují použití příslušných systémů tak, aby minimalizovali riziko chyb, čímž neustále zvyšují možnosti jazykového systému. Tyto úvahy se vztahují stejně na pragmatické používání jazyka (použití jazyka k dosažení konkrétních cílů) a na složitost samotného jazykového systému.

Technickým aspektem jazyka je převod z lineárních řetězců na hierarchické struktury, který, jak je dobře známo, je spojen se schopností detekovat platnou skupinu a „ikonizovat“ ji jako jednu entitu a vytvářet uzel stromu. Tato detekce je založena na detekci vzorů, která sama využívá kategorie, z nichž některé se zdají být vrozené. Vrozené kategorie jsou v zásadě očekávány na současném obrázku za předpokladu, že se vyskytují v některých abstrakčních schématech, takže se očekává, že budou mít korelace v nervovém hardwaru.

Tím je dokončena naše diskuse, která má předběžný charakter. Byl zaveden princip zahrnující obecné souvislosti mezi abstrakcemi a designem. Protože se zdá, že mnoho abstrakcí se objevuje v tom, jak vnímáme a chápeme svět, a zdá se, že organizace nervového systému tyto abstrakce odráží, je lákavé vidět to jako základní princip fungování mozku, jehož vykořisťování radikálně pokročí v našem podrobném pochopení toho, jak to funguje.

Reference

Baas, N.A. (1994); Emergence, Hierarchies and Hyperstructures; Artificial Life III (ed. C.G. Langton, Addison-Wesley (pp. 515-537).

Ehresmann, A.C. and Vanbremeersch, J.-P. (1987); Hierarchical Evolutive Systems: a Mathematical Model for Complex Systems; Bulletin of Mathematical Biology; Vol. 49, No. 1 (pp. 13-50).

Elman, J.L., Bates, E.A., Johnson, M.H., Karmiloff-Smith, A.; Paresi, D. and Plunkett, K. (1996); Rethinking innateness: A Connectionist Perspective on Development, MIT Karmiloff-Smith, A. (1992); Beyond Modularity: a Developmental Perspective on Cognitive Science, MIT.

Karmiloff-Smith, A. (1992); Beyond Modularity: a Developmental Perspective on Cognitive Science, MIT.

Minsky, M. (1987); The Society of Mind; Heinemann.

Pinker, S. (1994); The Language Instinct: the New Science of Language; Penguin.

Jsem vděčný profesorům Nils A. Baas a Andrée Ehresmann za četné diskuse, které pomohly při formulaci výše uvedených myšlenek.