Scienze cognitive

Guido Boella

Leonardo Lesmo

guest stars:

Vincenzo Lombardo

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Materiale:

• Bruno G. Bara, Scienza cognitiva: un approccio evolutivo alla simulazione della mente, Bollati Boringhieri, Torino, 1990

• Lucidi online: http://www.di.unito.it/~guido/http://www.di.unito.it/~guido/DIDATTICA/cogsci04

• Altre letture: P. Johnson-Laird, The computer and the mind, Fontana Press, 1988

Il Programma

• Introduzione alle Scienze Cognitive

• Ragionamento metaforico

• I Mental Models di Johnson-Laird

• Percezione: udito e visione

• Architture cognitive

• Ontologie

• Reti neurali

Perché studiare la mente: applicazioni

• sviluppo tecnologico– costruire sistemi hw e sw che manifestano intelligenza simulando i processi cognitivi

• educazione e riparazione del sistema cognitivo–migliorare i metodi di insegnamento, sapendo in che modo i discenti pensano e apprendono– apprezzare le forze e le debolezze dell’apparato cognitivo (illusioni ed errori sistematici)– come trattare terapeuticamente la perdita di potere cognitivo (traumi, schizofrenia, sindrome di Alzheimer)

• scelte sociali: come le persone “scelgono”– gli ingegneri e i progettisti possono migliorare i loro prodotti– politici e comunicatori possono ottenere maggiore successo

Le scienze cognitive

• (Almeno) sei discipline diverse:– Intelligenza artificiale– Filosofia– Neuroscienza– Linguistica– Psicologia– Antropologia

Le proprietà della mente

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Cosa hanno in comune?

• Interesse comune per la mente, la percezione, l’intelligenza, la capacità di risolvere problemi, di apprendere, comunicare, di ricordare degli esseri umani

• La scienza cognitiva nasce quando le diverse discipline capiscono di avere degli interessi in comune

• Ma questo non basta…

Come studiare la mente?

• Perché avete scelto Informatica ?

• Possiamo avere accesso cosciente alla nostra mente?

• Esiste un pensiero inconscio ?

2 nozioni di inconscio

• S. Freud: comportamenti nevrotici dovuti a pulsioni inconscie. Psicanalista guarisce rendendole esplicite.

• H. von Helholtz: visione tridimensionale è processo inconscio non accessibile.

• Inoltre: ragionamenti inconsci che non richiedono ragionamento basato su immaginie.g., cane |= animale

Come fare scienza cognitiva?

• Se la mente non è accessibile, come si fa a studiarla?

• Si puo’ fare psicologia senza la mente ?

• Quale metodologia per studiare la mente ?

Behaviourism

• Reazione al comportamentismo• Skinner:

1) a science of behavior ought to restrict themselves strictly to public methods of observations, which any scientist could apply and quantify. 2) a science of behavior ought to focus exclusively on behavior: researchers ought assiduously to eschew such topics as mind, thinking, or imagination and such concepts as plan, desires, or intentions.

• C’è una mente da studiare

Un po’ di storia

• René Descartes, 1596-1650

• De homine, 1662• Effettua l’analisi del corpo umano

attraverso la ricostruzione ipotetica di una statua animata costruita come una macchina.

• Le funzioni vitali dipendono dal calore e dal movimento dei fluidi corporei

Jacques de Vaucanson

La macchina del corpo umano

• “e invero si possono benissimo paragonare i nervi ai lati delle macchine … i suoi muscoli e i suoi tendini agli altri vari congegni e molle … inoltre la respirazione e altre simili azioni naturali di questa macchina possono essere paragonate ai movimenti di un orologio e di un mulino”

Ma la mente no

• La mente non è scomponibilein parti separate, è un’unica entità complessa non riducibile ad altro, cosi’ come non è riducibile ad altro il linguaggio con cui comunica i pensieri.

L’homme machine

• Il medico Julienne de La Mettrie nel 1748 fa il passo mancante; applica il metodo cartesiano alla mente: nasce il meccanicismo

• Il movimento spiega ogni cosa, compreso come “l’uomo macchina pensi, senta e agisca”

La divisione del lavoro…intelletuale

• Adam Smith (1776): “Ricerca sopra la natura e le cause della ricchezza delle nazioni”

• Gaspard de Prony: Governo rivoluzionario commissiona tavole logaritmiche e trigonometriche.Divisione gerarchica lavoro di calcolo in operazioni elementari distribuite

Le leggi del pensiero

• G. Boole: An investigation of the laws of thought (1854)

• “indagare le leggi fondamentali di quelle operazioni della mente per mezzo delle quali si attua il ragionamento”

• La logica del pensiero“To unfold the secret laws and relations of those high faculties of thought by which all beyond the merely perceptive knowledge of the world and of ourselves is attained or matured, is a object which does not stand in need of commendation to a rational mind.”

La macchina analitica

• B. Pascal 1642: macchina per addizionare

• G. Leibniz 1671: macchina per moltiplicare

• C. Babbage 1833: la macchina analitica – ogni funzione è computabile tramite programma su scheda perforata

• Ada Lovelace: calcolatore va separato dal programma.

http://www.fourmilab.ch/babbage/contents.html

La macchina di Turing 1936

La cibernetica

• N. Wiener: Cybernetics 1948 “Controllo e comunicazione nell’animale e nella macchina”

• Imbiego bellico nell’antiarea: pilota reagisce a tentativo di abbatterlo

• Bisogna prevedere traiettoria in funzione di questa reazione: proiettili e bersagli formano un sistema integrato

Feedback – retroazione• Il termostato:

– Feedback negativo: stabilizza la situazione in atto: accendo o spengo caldaia

– Feedback positivo: continuo nell’azione attuale

• Corrispondente in neurofisiologia• Sistema mantiene una omeostasi: uno stato che

costituisce lo scopo del sistema• Intenzionalità come se: descrizione funzionale per

macchine ed esseri viventi

Teoria dell’informazione

• C. Shannon e W. Weaver: The matematical theory of communication 1949

• Entropia: quantità di disordine in un sistema• La quantità di informazione è equivalente

all’entropia: la non prevedibilità del messaggio

• http://math.berkeley.edu/~berlek/pubs/shannon.pdf

Teoria dell’informazione

• I=log2(numero alternative) e quindi

• I=-log2(probabilità messaggio)

Reti neurali

• McCulloch e Pitts, A logical calculus of ideas immanent of nervous activity,1943

• Qualunque funzione computabile può venir realizzata da una rete opportuna di neuroni ideali

Proprietà della mente

• • • • • • • • •

Proprietà della mente

• Percezione• Emozioni• Azione• Volontà• Memoria• Ragionamento• Linguaggio• Socialità• Coscienza

Metodologia scientifica

• No introspezione basata su coscienza

• Alternativa I: solo comportamento, no mente

• Alternativa II: studio tramite macchina che fa simulazione

• Alternativa III: macchina costituita da sistema formale

Behaviourism

• Reazione al comportamentismo• Skinner:

1) a science of behavior ought to restrict themselves strictly to public methods of observations, which any scientist could apply and quantify. 2) a science of behavior ought to focus exclusively on behavior: researchers ought assiduously to eschew such topics as mind, thinking, or imagination and such concepts as plan, desires, or intentions.

• C’è una mente da studiare

Cognizione e cognitivismo

Cognizione (ing. cognition) - insieme dei processi cognitivi: oggetto di studio

Cognitivismo (ing. cognitivism) - teoria della cognizione (circa 1945- 1980) e complesso di metodi per lo studio dei processi cognitivi

Psicologia Cognitiva (o dei processi cognitivi) - una delle discipline che studiano i processi cognitivi nell’ambito della Scienza Cognitiva

Funzionalismo

• Miller, Galanter & Pribram Plans and the structure of behavior (1960)

• Comportamento = processo organizzato a piu’ livelli.

• Piano = processo che coordina l’ordine in cui è eseguita sequenza di azionicioè un programma

Test-operate-test-exit: TOTE

• Unità elementare del comportamento

Concetti e categorie

• J.Bruner, J. Goodnow, G. Austin: A study of thinking (1966)

• Percezione guidata da aspettative non solo da caratteristiche oggettive

• Comprensione di concetti dipende da strategie: non è mero processobasato su probabilità riguardanti caratteristiche oggettive

Apprendimento di concetti

• Non solo probabilità su proprietà oggettive

• Strategie che specificano catena di decisioni:– numero minimo di istanze di un concetto– certezza indipendente da numero istanze– riduzione sforzo cognitivo– minimizzare errori di categorizzazione

L’intelligenza artificiale

• Dartmouth College Seminar 1956 con J. McCarthy, M. Minsky, A. Newell, H. Simon

• “ogni aspetto dell’apprendimento e ogni altra caratteristica dell’intelligenza puo’ essere descritto in modo tanto preciso da renderlo simulabile da una macchina”

Precursori

• “I went away from the symposium with the strong conviction, more intuitive than rational, that human experimental psychology, theoretical linguistics, and computer simulation of cognitive processes were all part of a larger whole” (Miller’s reaction to the 1956 Conference).

• “My hypothesis then is that thought models, or parallels, reality -- that its essential feature is not ‘the mind’, ‘the self’, ‘sense data’ nor ‘propositions’, but is symbolism, and that this symbolism is largely of the same kind which is familiar to us in mechanical devices which aid thought and calculation” (Craik, 1943, p. 57).

Kenneth Craik (1914-1945)

• A physical symbol system consists of a set of entities, called symbols, which are physical patterns that can occur as components of another type of entity called an expression (or symbol structure).

• A physical symbol system is a machine that produces through time an evolving collection of symbol structures.

• A physical symbol system has the necessary and sufficient means for general intelligent action.

Allen Newell and Herbert Simon, 1975

La scienza cognitiva

• Cognitive Science Journal, 1977

• La Jolla Conference (San Diego, CA), 1979:D. Norman, J. Searle, G. Lakoff, P. Johnson-Laird, Rumelhart, M. Minsky, H. Simon, A. Newell, T. Winograd, etc.

Fondazioni comuni

• Information processing hypothesis:la mente puo’ essere studiata come un sistema che riceve, acquisisce, manipola, trasforma e trasmette informazioni.

L’uomo come elaboratore di informazioni

• La vita mentale come un processo computazionale

1. stimolo rappresentazione interna

2. processi cognitivi manipolano la rappresentazione interna

3. nuova rappresentazione interna - azione• organismo umano come un robot: irrilevante la

realizzazione biologica o elettronica delle funzioni

Semplificazioni e ingenuità dell’uso dei simboli

• esistenza effettiva dei simboli nella mente (homunculus)

• corrispondenza fisica dei simboli

• rappresentazione simbolica di emozioni e umori

Come si concilia la spiegazione computazionale con il funzionamento del

cervello?• i fenomeni mentali dipendono dal cervello

– un numero finito di cellule nervose– impulsi elettrochimici che si propagano

• simboli potenzialmente infiniti e procedure– immagini, credenze, ricordi: costruzione dei simboli con mezzi finiti a partire da simboli primitivi (aggregazione di cellule nervose mediante scambi elettrochimici)– processi di manipolazione come impulsi elettrochimici

Alan Hodges

The Turing model of the brain regarded physics and chemistry as essentially irrelevant. They are relevant only is as much as they substained the medium for the embodiment of discrete states, reading and writing. Only the logical pattern of these states could really matter. The claim was that whatever the brain did, it did by virtue of its structure as a logical system, and not because it was inside a person’s head, or because it was a spongy tissue made up of biological cells. And if this were so, then its logical structure could be embodied by some other physical machinery. It was a materialistic view of mind, but it does not confuse logical patterns with physical substances.

La metafora del computer

• La metafora non è solo una figura retorica

• G. Lakoff: la metafora è uno strumento per imparare il funzionamento di cio’ che non è conosciuto in base alle similarità che cio’ ha con quanto noi già conosciamo

• ad es.:“l’uomo è un lupo”

Da metafora a metodo scientifico

• La mente non è osservabile• Si osserva il comportamento di un essere

umano (quello che sa fare ma anche cio’ che non sa fare)

• Si osserva poco di cio’ che capita nel cervello quando pensiamo, percepiamo, ricordiamo, ecc.

• Si osserva soprattutto cio’ che non funziona

AI: l’unico metodo

• Metodo ricostruttivo e simulativo

• L’intelligenza artificiale è alla base della metodologia delle scienze cognitive

• Comunicazione fra scienze diverse

• Per molti è un metodo provvisorio, perche’ troppo costoso

Informatica e Intelligenza Artificiale

• L’informatica (teoria della computabilità) fornisce la metafora computazionale per lo studio della mente

• L’intelligenza artificiale permette di riunificare attraverso una metodologia comune le discipline della scienza cognitiva

• Perché l’IA per sistemi che simulano processi mentali?– L’IA ha introdotto in Informatica l’idea di lavorare con simboli che

non necessariamente rappresentavano dei numeri

– l’IA si interessa alle attività ritenute tipicamente umane

AI: morbida o dura?

• Dura (tecnologica):– le macchine pensano

– non importa come lo fanno

– test di Turing Computational machinery and intelligence (1960) http://www.abelard.org/turpap/turpap.htm

• Morbida (simulazione cognitiva): importanza delle procedure di elaborazione e dei vincoli temporali

Confronti

AI dura AI morbida

Risultati migliori uguali

Procedure no vincoli uguali

Errori da evitare da riprodurre

AI morbida e scienza cognitiva

• “Riproduzione a mezzo calcolatore dei processi mentali umani, e, quindi del comportamento umano”

• Passi intermedi piu’ importanti del risultato

• Riproduzione di errori di umani

Perché un programma?

• Comportamento generato da un programma implementato effettivamente:– Falsificabilità

– Spiegazione costruttiva

– Completamente esplicitata

– Non contraddittoria (come assiomatizzazione)

– Riproducibilità

– Efficienza

– Evoluzione fenomeni

• Le teorie della mente devono essere espresse in modo da poter essere tradotte in un programma per computer

• problemi di incompletezza, computabilità, correttezza, consistenza, misticismo, dare troppo per scontato

• Gli studiosi della mente hanno spesso idee vaghe e confuse

• Il vantaggio di sviluppare teorie computabili della mente umana è che si fa affidamento minimo sull’intuizione (quanta ne ha usata Turing)

• comprensione del pensiero in termini di strutture rappresentazionali e procedure computazionali

• visti i progressi degli ultimi 20 anni, può essere considerata l’approccio vincente allo studio della mente

• analogia dominante nella scienza cognitiva– programmi = strutture dati + algoritmi– mente = rappres. mentali + procedure computazionali

Validazione di una teoriaTeoria

Modello

SperimentazioneProgramma

Simulazione

Confronto