P rzetwarzanie informacji przez mózgi

Przetwarzanie informacji przez mózgi 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

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. Zasady

Procesy umysłowe: wynik hierarchicznej i wyspecjalizowanej transformacji sygnałów zmysłowych, stanów wewnętrznych (kategorii) i podejmowanych działań. Warstwy neuronów-detektorów przetwarzają dochodzące do nich od 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 informacji pobudzają wewnętrzne reprezentacje kategorii i dostarczają danych do podejmowania działań, np. reakcji ruchowych. Jednocześnie przetwarzane informacje modyfikują sposób przetwarzania. Hierarchia i specjalizacja

Specjalizacja zwiększa sprawność działania, ale oddziaływania pomiędzy strumieniami są niezbędne do koordynacji, zdobywania dodatkowych stabilnychinformacji na różnym poziomie, np. orientacja przestrzenna i rozpoznawanie obiektów. Na wyższym poziomie mamy heterogeniczne obszary kojarzeniowe. Rozproszenie i interakcja 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.

Dobrze 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 arrow Rozbił bank.Fruit flies like a banana Zasady dynamiczne 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.

Ogólne funkcje kory Cztery platy kory i ich funkcje Obszary Brodmana w korze Nazewnictwo różnych części w zależności od ich lokalizacji Podsumowanie f. koryhttp://www.is.umk.pl/~duch/Wyklady/Mozg/09-4-funkcje-kory.htm

Ogólne 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 potylicznyodpowiada za: widzenie, analizę koloru, ruchu, kształtu głębi, skojarzenia wzrokowe

Ogólne funkcje kory płat ciemieniowy płat skroniowy Płat ciemieniowyodpowiada 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.

Pień mózgu (brain stem): jądra szwu – serotonina, twór siatkowaty: ogólna przytomność. Śródmózgowie(mesencephalon): część nakrywki (VTA) – dopamina, wartość obserwacji/działania. Obszary podkorowe Wzgórze (thalamus): wejścia sygnałów zmysłowych, uwaga Móżdżek(cerebellum): uczenie się ruchu, sekwencje czasowe ruchu.

Obszary podkorowe Basal ganglia(striatum, globus pallidus, substantia nigra) Basal ganglia inicjuje czynności motorycznea jej cześć substantia nigra odpowiada za kontrole uczenia • 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.

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. Działanie 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.

Automatyczne: 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. Działania kontrolowane/automatyczne

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). Inne rozróżnienia - świadomość

Są 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. Różne potencjalne problemy Mózgi są dość elastyczne, chociaż opierają swoje działanie w większości na reprezentacji specyficznej wiedzy o świecie.

Pamięć jest istniejącym przez pewien czas efektem doświadczenia. Pamięć 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.

RodzajePamieci

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. Aktywna pamięć i torowanie (priming) Wyróżnimy wiele form torowania: • trwanie (krótkie, długie), • typ informacji (wzrokowa, leksykalna), • podobieństwo (powtarzanie, semantyczne).

Anatomia i połączenia struktur formacji hipokampa: sygnały docierają z jedno i wielomodalnych obszarów skojarzeniowych przez węchomózgowie (EC). Hipokamp

Hipokamp = król kory mózgowej Obustronne połączenia z: opuszką węchową, korą oczołodołową, korą wyspy, górnym zakrętem skroniowym, korą zakrętu obręczy. Więcej anatomii

Polaczenia w hipokampie Formacja hipokampa

Lokalizacja hipokampa Formacja hipokampa

Pamięć nie jest jednorodna Wagi (długoterminowe, wymagają pobudzenia) vs aktywizacje (krótkoterminowe, juz pobudzone, może wpływać na przetwarzanie) Oparte na wagach Kora ma stany początkowe ale cierpi na katastroficzne wpływy. Hipokampus może uczyć sie szybko bez wpływów używając rzadkich odseparowanych reprezentacji wzorcow Oparte na aktywizacji Kora wykazuje stany początkowe ale nie nadaje sie do pamięci krótkoterminowej Współpraca aktywizacji i pamięci w oparciu o wagi Wideo pamiec krotkoterminowa u szympansow -30 sek Porownanie ze studentami – 30 sek Pamięć

Kora 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 • 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.

Interakcje 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. A-nie B 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.

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. Inne rodzaje pamięci

Podsumowanie • 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

Podsumowanie • Kora wspomaga rozpoznanie naprowadzając na ślad • Kora prowadzi do niestymulowanych 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)

P rzetwarzanie informacji przez mózgi