Prediktivní zpracování: nové paradigma kognitivních věd? Ondřej Havlíček 2015/10/27.

Prezentace na téma: "Prediktivní zpracování: nové paradigma kognitivních věd? Ondřej Havlíček 2015/10/27."— Transkript prezentace:

1 Prediktivní zpracování: nové paradigma kognitivních věd? Ondřej Havlíček ohavlicek@gmail.com 2015/10/27

2 Shrnutí Mozek se neustále snaží předvídat vstupy Používá a vytváří hierarchický model světa Zpracovává se jen predikční chyba nižší úrovně Nižší úrovně senzo-motorické, výšší abstraktní Bayes-optimální inference, energeticky optimální Návrhy o neurobiologii Vysvětluje: Vnímání, pozornost, jednání, učení, přesvědčení, abstraktní koncepty, jáství? Dále: schizofrenie, kultura, GUT.. Problémy: Utilita, fitness? Falsifikovatelnost? Nové paradigma kognitivních věd?

3 Hlavní koncepty Bayesian Brain Hypothesis Predictive Coding Free Energy Principle (Friston) Predictive Processing (Clark) Behavioral and Brain Sciences, 2013

4 Bayes Data P(H | D)P(H)P(D | H)

5 2002, Nature

6 Bayesian Brain Hypothesis Pravděpodobnostní model světa generuje předpovědi, které jsou testovány na smyslových datech, čímž dochází k aktualizaci přesvědčení o jejich příčinách Mozek je stroj na inference, vnímání je konstruktivní proces Konektivita mozku nějak modeluje kauzální strukturu světa (produkujícího smyslové vstupy) Friston, 2010, Nat.Rev.Neuro; Friston, 2012, Neuroimage

7 .. Rao & Ballard, 1999, Nature Neuroscience

8 Hierarchický model Stefanics, Kremláček & Czigler, 2014, Front.Hum.Neurosci.

9 Hierarchický model Reprezentační jednotky: zpracování pravděpodobnostních reprezentací (predikcí) smyslových vstupů Chybové jednotky: kódují predikční chyby, rozdíl oproti čekanému vstupu Chyby updatují lokální prior, vytvoří posterior Repr. j. updatují prior níže, „explain away“ chybu na úrovni pod sebou Nevysvětlená chyba jde do repr. j. výše Iterativní proces vede k minimalizaci FE a tím inferenci nejpravděpodobnější příčiny sens.vstupu a optimalizaci modelu

10 Neurální implementace Jednu pomyslnou vrstvu hierarchie tvoří mnoho jednotek, laterální interakce, konvergence/divergence mezi úrovněmi..

11 Neurální implementace Friston, 2005

12 Canonical microcircuits Bastos et al, 2012, Neuron; Canonical microcircuit DCM v SPM: www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/course/slides13-meeg/09_DCM_ERP.pptx

13 Free Energy Principle Teorie Informace, Termodynamika Homeostáze, ekvilibrium s prostředím – vs. 2. zákon TD ↓ TD entropie ↓ IT entropie – Pravděpodobnost sensorických stavů, vnitř. i vněj. minimalizace IT překvapení (surprisal) – složitý problém FE je horní mez surprisal – min. FE: relativně snadný problém Friston, 2010

14 Free Energy Principle Friston, 2010

15 Vnímání Formalizace Helmholtzovské nevědomé inference Vnímání jako konstruktivní proces Optimalizuje interní stavy mozku, reprezentace pravděpodobných příčin smyslových vstupů Současné zpracování více hypotéz, vítězí ta nejpravděpodobnější

16 Vnímání: Binocular rivalry Zvítězí hypotéza pro dům -> surprise pro hypotézu tváře, alternativní model je updatován a příčina vstupu je pro změnu interpretována jako tvář, atd. Žádná hypotéza nevysvětluje veškerá data, systém osciluje mezi dvěma semi-stabilními stavy Hohwy et al 2008, Cognition

17 Vnímání: mnoho evidence ERP: P3, MMN, C1? fMRI – MVPA Friston, 2005; Rauss et al, 2011; Kok et al, 2012, Neuron

18 Pozornost Predikční chyby váženy jejich očekávanou precizností (expected precision) Precision-weighting ~ Pozornost Top-down attention: zvýším váhu pro červené věci nebo část zrakového pole „Bottom-up“ attention: vysoké SNR = a priori vysoká preciznost Feldman & Friston, 2010; Kok et al, 2012, Cer.Cort.;

19 Přesvědčení a učení Žádný kategorický rozdíl (spojité spektrum) mezi smyslovým vjemem a (abstraktním) přesvědčením – Např., přesvědčení, že je daná růže červená Aktualizace přesvědčení (prioru, reprezentace) na základě nové evidence je (téměř) Bayes-optimální FE = Komplexita − Přesnost (accuracy, modelu světa)

20 Jednání Aktivní inference Volit akce, které způsobí smyslové vjemy minimalizující FE, tedy obecné překvapení, pro daný model – Optimalizace modelu Dark-room problem – Explorativní chování, fitness, utilita, instinkty?

21 Tradice: Optimal motor control Pickering & Clark, 2014, TiCS

22 Active inference Pickering & Clark, 2014; Friston, 2011; Adams et al, 2013; Brown et al, 2013;

23 Motorické predikce vs. pozornost N = 30, error bars: 95% CI, within-S

24 Motorické predikce vs. pozornost N = 30, error bars: 95% CI, within-S

25 Jáství Potřeba vytvoření high-level přesvědčení vysvětlujícího množství jevů – např. soulad multisensorických vjemů (propriocepce, dotek, zrak..) – body-schema Iluze gumové ruky (RHI) – Zrak má vyšší preciznost než propriocepce Apps & Tsakiris, 2014

26 Schizofrenie Pozitivní symptomy: halucinace a bludy – Vnímání a přesvědčení mají stejný princip Chybné (přílišné) vážení predikčních chyb – dopaminový systém – vliv na pozornost, reward, priors Obtížné vysvětlit predikční chyby (vjemy) Dostanou se až do vysokých úrovní hierarchie Podivné vjemy -> podivná přesvědčení Změna high-level konceptů, koncepce reality Fletcher & Frith, 2009; Frith & Friston, 2013; Kozáková, Bečev, Havlíček 2015

27 Autismus, ASD Podobný styl vysvětlení – „executive functioning, theory of mind, and central coherence can all be understood as the consequence of a core deficit in the flexibility with which people with autism spectrum disorder can process violations to their expectations“ Van de Cruys et al 2014; Pellicano & Burr, 2012; van Boxtel & Lu, 2013

28 And beyond... „extra-neural... minimization of prediction error“ – action-world-perception loop – situovaná, vtělená, enaktivní kognice – interakce mezi agenty reduction of mutual prediction error – kultura patterned practice „strukturujeme svůj fyzický a sociální svět, aby byl přívětivý mozkům, které máme“ Clark, 2013, BBS

29 Cogsci paradigmata Froese 2010, http://www.eucognition.org/index.php?page=summary Predictive Processing ??

30 Behaviorismus Nevyjadřujeme se k obsahu či struktuře mysli Objektivní zkoumání chování, I-O (S-R) vztahů ??? Input (Stimulus)Output (Response) „Mysl“ Prostředí

31 Kognitivismus Užitečné a smysluplné postulovat interní obsahy (reprezentace) a procesy (zpracování informací) Input (Vnímání)Output (Jednání) Mysl Prostředí

32 Embodied, situated, extended.. Tělo (a okolí) je konstitutivní prvek kognice Skepse k reprezentacím Input (Vnímání)Output (Jednání) Prostředí

33 Dynamical systems theory “Cognition is the ongoing, active maintenance of a robust animal–environment system, achieved by closely coordinated perception and action” – vztahuje se i na učení, řeč, uvažování a další tradiční kognitivní jevy – Existence reprezentací je empirická otázka Stepp, Chemero, Turvey 2011

34 Enaktivismus, DST Kognice je schopnost tvořit strukturu jednáním, zjednávání světa – Sensorimotorické kontingence, na cíl zaměřené jednání, procedurální znalosti,... Agent Prostředí Kognice http://www.vernon.eu/research.htmEngel et al. 2013; Stepp, Chemero, Turvey 2011

35 FEP, Predictive Processing Friston, 2010

36

37 Nové paradigma? Kognitivismus, funkcionalismus – reprezentace – pojmy z formálních teorií – nezávislost na implementaci Embodiment, enaktivismus – samo-organizace, homeostáze – vztah jednání a vnímání Paradigma není úplně ostře vymezený koncept

38 Paradigma, teorie, framework.. Falsifikovatelnost? – Priors – Precision-weighting Teorie evoluce – velká skupina konceptů, teorií, způsobů explanace Experimentální výsledky vysvětlovány pomocí terminologie Zároveň dávají podporu pro teorie Falsifikace dílčích komponent?

39 Závěry... Nadějný framework pro přemostění mezi psychologickým a neurobiologickým popisem Ambice na GUT Některé aspekty mají mnoho podpory Některé zatím spekulativní The challenge ahead: Funkční integrace a efektivní konektivita (Friston, 2012) Pluralita přístupů

40 Hype cycle http://www.gartner.com/technology/research/methodologies/hype-cycle.jsp

41 Poděkování Karl Friston Jakob Hohwy Agnieszka Wykowska Účastníci workshopu Predictive Brains, Venice 2015

42 Shrnutí Mozek se neustále snaží předvídat vstupy Používá a vytváří hierarchický model světa Zpracovává se jen predikční chyba nižší úrovně Nižší úrovně senzo-motorické, výšší abstraktní Bayes-optimální inference, energeticky optimální Návrhy o neurobiologii Vysvětluje: Vnímání, pozornost, jednání, učení, přesvědčení, abstraktní koncepty, jáství? Dále: schizofrenie, kultura, GUT.. Problémy: Utilita, fitness? Falsifikovatelnost? Nové paradigma kognitivních věd?