Scienze cognitive

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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

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Il Programma

• Introduzione alle Scienze Cognitive
• Ragionamento metaforico
• I Mental Models di Johnson-Laird
• Percezione udito e visione
• Architture cognitive
• Ontologie
• Reti neurali

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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
  dellapparato 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

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Le scienze cognitive

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

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(No Transcript)
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Le proprietà della mente

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Cosa hanno in comune?

• Interesse comune per la mente, la percezione,
  lintelligenza, 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

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Come studiare la mente?

• Perché avete scelto Informatica ?
• Possiamo avere accesso cosciente alla nostra
  mente?
• Esiste un pensiero inconscio ?

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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

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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 ?

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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.
• Cè una mente da studiare

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Un po di storia

• René Descartes, 1596-1650
• De homine, 1662
• Effettua lanalisi 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

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Jacques de Vaucanson
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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

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Ma la mente no

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

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Lhomme 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
  luomo macchina pensi, senta e agisca

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La divisione del lavorointelletuale

• 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

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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.
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La macchina analitica
http//www.fourmilab.ch/babbage/contents.html

• 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.

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La macchina di Turing 1936
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La cibernetica

• N. Wiener Cybernetics 1948 Controllo e
  comunicazione nellanimale e nella macchina
• Imbiego bellico nellantiarea pilota reagisce a
  tentativo di abbatterlo
• Bisogna prevedere traiettoria in funzione di
  questa reazione proiettili e bersagli formano un
  sistema integrato

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Feedback retroazione

• Il termostato
• Feedback negativo stabilizza la situazione in
  atto accendo o spengo caldaia
• Feedback positivo continuo nellazione 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

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Teoria dellinformazione

• C. Shannon e W. Weaver The matematical theory of
  communication 1949
• Entropia quantità di disordine in un sistema
• La quantità di informazione è equivalente
  allentropia la non prevedibilità del messaggio
• http//math.berkeley.edu/berlek/pubs/shannon.pdf

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Teoria dellinformazione

• Ilog2(numero alternative) e quindi
• I-log2(probabilità messaggio)

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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

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(No Transcript)
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Proprietà della mente

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Proprietà della mente

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

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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

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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.
• Cè una mente da studiare

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Cognizione e cognitivismo
Cognizione (ing. cognition) - insieme dei
processi cognitivi oggetto di studio Cognitivism
o (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
nellambito della Scienza Cognitiva
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Funzionalismo

• Miller, Galanter Pribram Plans and the
  structure of behavior (1960)
• Comportamento processo organizzato a piu
  livelli.
• Piano processo che coordina lordine in cui è
  eseguita sequenza di azionicioè un programma

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Test-operate-test-exit TOTE

• Unità elementare del comportamento

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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

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(No Transcript)
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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

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Lintelligenza artificiale

• Dartmouth College Seminar 1956 con J. McCarthy,
  M. Minsky, A. Newell, H. Simon
• ogni aspetto dellapprendimento e ogni altra
  caratteristica dellintelligenza puo essere
  descritto in modo tanto preciso da renderlo
  simulabile da una macchina

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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
  (Millers reaction to the 1956 Conference).

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• 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)

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• 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

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La scienza cognitiva

• Cognitive Science Journal, 1977
• La Jolla Conference (San Diego, CA), 1979D.
  Norman, J. Searle, G. Lakoff, P. Johnson-Laird,
  Rumelhart, M. Minsky, H. Simon, A. Newell, T.
  Winograd, etc.

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Fondazioni comuni

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

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Luomo 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

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Semplificazioni e ingenuità delluso dei simboli

• esistenza effettiva dei simboli nella mente
  (homunculus)
• corrispondenza fisica dei simboli
• rappresentazione simbolica di emozioni e umori

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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

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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 persons 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.

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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.luomo è un lupo

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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

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AI lunico metodo

• Metodo ricostruttivo e simulativo
• Lintelligenza artificiale è alla base della
  metodologia delle scienze cognitive
• Comunicazione fra scienze diverse
• Per molti è un metodo provvisorio, perche troppo
  costoso

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(No Transcript)
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Informatica e Intelligenza Artificiale

• Linformatica (teoria della computabilità)
  fornisce la metafora computazionale per lo studio
  della mente
• Lintelligenza artificiale permette di
  riunificare attraverso una metodologia comune le
  discipline della scienza cognitiva
• Perché lIA per sistemi che simulano processi
  mentali?
• LIA ha introdotto in Informatica lidea di
  lavorare con simboli che non necessariamente
  rappresentavano dei numeri
• lIA si interessa alle attività ritenute
  tipicamente umane

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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

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Confronti

• AI dura AI morbida
• Risultati migliori uguali
• Procedure no vincoli uguali
• Errori da evitare da riprodurre

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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

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Perché un programma?

• Comportamento generato da un programma
  implementato effettivamente
• Falsificabilità
• Spiegazione costruttiva
• Completamente esplicitata
• Non contraddittoria (come assiomatizzazione)
• Riproducibilità
• Efficienza
• Evoluzione fenomeni

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• 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
  sullintuizione (quanta ne ha usata Turing)

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• comprensione del pensiero in termini di strutture
  rappresentazionali e procedure computazionali
• visti i progressi degli ultimi 20 anni, può
  essere considerata lapproccio vincente allo
  studio della mente
• analogia dominante nella scienza cognitiva
• programmi strutture dati algoritmi
• mente rappres. mentali procedure
  computazionali

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Validazione di una teoria
Teoria
Modello
Sperimentazione
Programma
Simulazione
Confronto