Introduzione alle Scienze Cognitive

1
Introduzione alle Scienze Cognitive
2

• Cosa sono le
• Scienze Cognitive?

3

• Cogito ergo sum
• (Penso, dunque sono)
• Per 500 anni queste famose parole del filosofo
  Renè Descarte (1596-1650), conosciuto in Italia
  con il nome di Cartesio, sono state citate da
  filosofi e scienziati,
• Ma che cosa significa pensare?

4

• Le Scienze Cognitive sono
• un tentativo interdisciplinare di capire il
  processo del pensare
• uno sforzo di definire cosa significhi essere
  intelligente

5

• Scienze Cognitive
• approccio interdisciplinare che si trova agli
  incroci delle seguenti discipline
• Psicologia
• Computer Science
• Filosofia
• Linguistica
• Antropologia
• Neuroscienza

6

• le scienze cognitive concentrano la loro
  attenzione sul come pensiamo
• gli scienziati cognitivi cercano di capire come
  sistemi intelligenti sono costruiti e come
  funzionano - siano loro biologici o artificiali

7
Esempio

• immagina di essere alla guida di un auto (o
  motorino) e di percorrere una strada a te
  conosciuta
• il ritorno a casa lo fai guidando
  automaticamente senza pensare
• non pensi a come accelerare o a come girare il
  manubrio
• (se in auto) ascolti molto probabilmente la
  radio e canticchi mentre pensi in anticipazione
  ad una festa nel weekend o ti preoccupi per un
  esame
• la tua mente però, a tua insaputa, è impegnata
  in centinaia di operazioni mentre guidi
• il tuo sistema visivo per esempio sta
  trasmettendo milioni di segnali al tuo cervello
• i tuoi sensi stanno processando i suoni dei
  clacson, la freschezza del vento, e lodore del
  pollo del girarrosto che hai appena passato
• perfino la canzone che ascolti alla radio causa
  un complesso processo di elaborazione dati

8

• Le Scienze cognitive cercano di capire fra tante
  altre cose
• come riesci a capire la canzone che stai
  ascoltando
• come hai imparato le sottigliezze della tua
  lingua
• il come puoi avere un concetto come quello di
  canzone, o linguaggio
• il come riesci in questo momento, a prendere una
  collezione di linee proiettate su uno schermo e
  trasformarli in parole dotate di significato
  tramite il processo della lettura

9

• Definizioni

10

• Secondo Gardner (1985), le scienze cognitive (o
  cognitive science) sono nate 11 Settembre 1956 ad
  un simposio sulla teoria dellinformazione
  tenutosi al Massachusetts Institute of Technology
  (MIT)
• da allora molti studiosi dalle discipline già
  menzionate (psicologia, filosofia, linguistica,
  neuroscienze e antropologia) si sono riuniti per
  affrontare questioni riguardante la natura della
  mente e il come la conoscenza è rappresentata,
  immaganizzata, e utilizzata dalla mente

11

• negli anni molti autori hanno definito cognitive
  science in una varietà di modi
• la scienza dei sistemi intelligenti - George
  Luger (1981)
• lo studio dellintelligenza e dei sistemi
  intelligenti - Simon Kaplan (1989)
• la scienza della mente - Stillings et al.
  (1995)
• lo studio scientifico interdisciplinare della
  mente - Green (1996)

12

• Lampiezza di queste definizioni ci permette di
  includere lo studio di una varietà di menti
• la mente di un essere umano adulto
• la mente di un bambino
• la mente di un animalee perfino
• la mente di un computer

13
Il nostro obiettivo oggi

• riflettere su quello che significhi essere
  intelligente
• Ri-considerare la possibilità che esista una
  gamma di comportamenti intelligenti
• Ri-chiederci quando è possibile considerare una
  macchina intelligente

14
Le discipline delle Scienze Cognitive
15

• Le scienze cognitive sono un campo di studio
  interdisciplinare
• scienziati di diverse discipline condividono
  informazione e metodi nello sforzo di arrivare ad
  un quadro completo sul come funziona la mente
• Abbiamo detto che le discipline più coinvolte
  sono cinque

16

• Parliamo un po di 5 di queste discipline
• Filosofia
• Psicologia
• Neuroscienze
• Linguistica
• Computer scienze (informatica/scienze
  computazionali)

17
La Filosofia

• La filosofia si è interessata a questioni
  riguardanti la logica e il significato (insieme a
  trante altre)
• la domanda cosè la conoscenza è stata posta
  dai filosofi molto prima che esistessero le
  scienze cognitive
• la filosofia, dunque ha fornito alle scienze
  cognitive molte delle domande fondamentali e le
  relative ipotesi sulla cognizione umana
• (conoscenza latto di conoscere)

18
Da dove viene la conoscenza?

• Questa domanda ha avuto un profondo impatto sulle
  scienze cognitive

19
Aristotele384 a.C. - 322 a.C

• aveva punto di vista empirico
• diceva che la conoscenza veniva dallesperienza
  che abbiamo del mondo che ci circonda (Barnes,
  1987)

20
Platone(Atene, 427 a.C. - Atene , 347 a.C.)

• credeva invece che gran parte della conoscenza
  umana fosse innata e.
• che molto di quello che consideriamo
  apprendimento non sia altro che lattivazione
  di memorie di conoscenza che già possediamo prima
  della nascita (Hamilton Cairns, 1961)

21
Ricordiamoci di Cartesio

• Cogito ergo sum
• (Penso, dunque sono)
• Secondo Cartesio
• partendo dal principio che il pensiero può
  dimostrare autonomamente la propria esistenza
  concluse che la caratteristica essenziale del
  soggetto fosse il pensiero
• proseguendo in questa riflessione egli dedusse
  non solo lesistenza di Dio ma sostenne che Egli
  aveva creato due sostanze
• la sostanza pensante (res cogitans), la cui
  caratteristica essenziale è il pensieroe
• la sostanza estesa (res extensa), la cui
  caratteristica essenziale è quella di occupare
  una determinata estensione fisica
• la sostanza pensante si conforma alle leggi del
  pensieroe
• la sostanza estesa si conforma alle leggi
  meccaniche della fisica
• la bipartizione della realtà nelle due sostanze,
  quella fisica e quella mentale e nota come
  dualismo cartesiano
• Questo concetto ha profondamente influenzato la
  filosofia occidentale.

22
Dualismo Cartesiano

• ll Dualismo proposto da Cartesio non è più
  considerato plausibile
• ma.
• la domanda su come la mente (o in altre parole i
  fenomeni mentali come ad esempio il pensiero,
  limmaginazione, i desideri, i sogni, le
  emozioniecc.) possono emergere dalla materia
  fisica di un organo chiamato cervello è una
  domanda che ancora tormenta tanti campi di
  ricerca
• Soprattutto quello delle scienze cognitive!

23
Psicologia

• lo studio scientifico del comportamento e dei
  processi mentali (Matlin, 1999)
• la sua metodologia enfatizza losservazione
  sistematica e gli esperimenti controllati
• fin dallinizio, i primi psicologi erano
  interessati allo studio di processi cognitivi
  come la memoria, il linguaggio, la percezione e
  il ragionamento

24

• linteresse della psicologia nella misurazione
  dellintelligenza risale agli inizi del XX Secolo
  quando
• psicologi come Alfred Binet svilluparono i primi
  test dellintelligenza per identificare studenti
  con problemi di apprendimento nelle scuole di
  Parigi

25
Psicologia Cognitiva

• la odierna psicologia cognitiva si sviluppò negli
  anni 60 con la information processing revolution
• questo approccio vede il pensiero come un
  processo di manipolazione di simboli
• questa idea è diventata una congettura
  fondamentale delle scienze cognitive

26

• gli psicologi cognitivi usando il modello di
  information processing o di elaborazione dati
  cominciarono a utilizzare le simulazioni
  computazionali come strumento per modellare il
  pensiero umano
• successivamente, questo approccio creò
  collegamenti importanti con il campo delle
  scienze computazionali (computer science)

27
Le Neuroscienze

• studiano lorganizzazione e il funzionamento del
  cervello e del sistema nervoso

28
Il Sistema Nervoso Centrale
29
La Neuroscienza Cognitiva

• si concentra sulla congettura che il pensiero è
  spiegabile in termini di funzioni elettrochimiche
  dei neuroni

30
Cosa sono i neuroni?

• I neuroni sono
• le cellule del sistema nervoso
• sono specializzate per trasportare messaggi
  tramite un processo elettro-chimico
• Il cervello ha circa 100 miliardi di neuroni

31
I neuroni

• hanno forme e dimensioni diverse
• i più piccoli sono grandi solo 4 micron
• i più grande possono arrivare a 100 micron (1
  micronun millesimo di millimetro)
• Esempio di un tipo di neurone

32
I neuroni

• Sono come le altre cellule del corpo umano in
  quanto
• sono dotati di membrana cellulare
• hanno un nucleo che contiene i geni
• hanno citoplasma, mitocondri etc.
• attuano processi metabolici elementari (es.
  sintesi proteica produzione di energia..)

33
I neuroni

• Sono diversi però dalle altre cellule del corpo
  umano in quanto
• hanno estensioni specializzate che si chiamano
  dendrite e assoni
• i dendriti portano informazioni al corpo
  cellulare
• gli assoni le portano via dal corpo cellulare
• comunicano fra loro tramite processi
  elettrochimici
• sono dotati di strutture specializzate (come le
  sinapsi)
• e contengono sostanze chimiche (come i
  neurotrasmettitori)

34
Da neurone a neurone
35
Il neurone è speciale

• Cosè che rende il neurone speciale?
• Conoscendo le funzioni di poche cellule di un
  organo del corpo (il fegato, i reni, la vescica,
  ecc.) possiamo dedurre la funzione globale
  dellorgano
• Lo stesso non si può dire del cervello!
• Le cellule del cervello, i neuroni, partecipano
  in una miriade di attività (il vedere, ludire,
  il pensare, il provare emozioni, nellavere
  consapevolezza di seecc.)
• Lo studio dellarchitettura dei neuroni ci aiuta
  a cominciare a capire il perché il cervello è
  così multifunzionale

36
Io sono i miei neuroni! O no?
37
Spiegazioni Neuroscientifiche

• anche se i neuroscienziati cercano un altro tipo
  di spiegazione per il comportamento intelligente
  da quella cercata dai psicologi
• il loro lavoro fornisce ipotesi molto utili sulle
  possibili architetture dellintelligenza umana e
  delle macchine

38

• Grazie al lavoro delle neuroscienze, abbiamo
  capito che
• il cervello usa parallel processing o
  elaborazione parallella per processare diversi
  tipi di informazione contemporaneamente
• negli anni 50 e 60 invece, secondo alcuni modelli
  proposti, si era pensato che il cervello
  elaborava informazione in modo seriale

39
Elaborazione Parallela

• lidea del parallel processing ha generato un
  grande entusiasmo nelle scienze cognitive, e ha
  portato alla proposta di nuovi modelli cognitivi,
  come ad esempio quelli connessionisti

40
La Linguistica

• Il campo della linguistica studia la struttura
  del linguaggio umano e come viene acquisito da
  tutti noi
• Inizialmente lo studio della linguistica si
  concentrava sulle grammatiche superficiali - o
  le regole di come il linguaggio è utilizzato da
  una comunità di persone parlanti una stessa
  lingua
• per esempio la classificazione di parole in
  sostantivi, verbi, aggettivi, ecce le regole
  dietro la loro combinazione in frasi corrette

41

• Nel 1950 il linguista Noam Chomsky propose un
  nuovo obiettivo al campo della linguistica
• quello di studiare il significato, o struttura
  profonda del linguaggio
• quello che interessa più a noi è che Chomsky
  propose che gli esseri umani hanno una capacità
  innata per il linguaggio che è sensibile alle
  regole particolari che si verificano nei
  linguaggi umani
• questo innato meccanismo linguistico, secondo
  lui, consente ai bambini di cogliere aspetti
  sofisticati del linguaggio, molto presto e con
  pochissimo sforzo

42

• le teorie di Chomsky hanno avuto un fortissimo
  impatto sulle scienze cognitive e per molti anni
  hanno dominato la ricercama.
• oggi non sono condivisi da tutti e spiegazioni
  alternative sulla cognizione del linguaggio negli
  essere umani diventano sempre più frequenti

43
Computer Science

• (linformatica e/o scienze computazionali)
• la più giovane delle discipline che fanno parte
  integrante delle scienze cognitive ma la più
  influente
• è stata la disciplina che ci ha incoraggiato ad
  ampliare le nostre definizioni dellintelligenza
  e ad esaminare le possibilità dellintelligenza
  artificiale

44
Alan Turing (Londra, 23 giugno 1912 -
Manchester, 7 giugno 1954)

• Primo computer scientist a concentrarsi sulla
  questione dellintelligenza delle macchine e
• come si potrebbe determinare se una macchina è
  intelligente o no

45

• I metodi delle scienze computazionali sono
  concentrati nella creazione di programmi
  computazionali che siano in grado di svolgere una
  varietà di compiti cognitivi
• come ad esempio il calcolo, la risoluzioni di
  problemi, la categorizzazione, insieme a molti
  altri
• successivamente si osserva dove e come questi
  tipi di processi falliscono
• la creazione di un programma, richiede
  definizioni precise e procedure sistematiche
• questo costringe agli scienziati cognitivi ad
  essere molto specifici nello specificare quello
  che considerano un comportamento intelligente

46
Cosa è lIntelligenza Artificiale
Lautomazione di attività che associamo con il pensiero umano, come prendere decisioni, risolvere problemi, imparare (Bellman, 1978) Lo studio delle facoltà mentali per mezzo di modelli computazionali (CharniakMcDermott, 1985) Lo studio delle computazioni che rendono possibili percezioni, ragionamenti e azioni (Winston, 1992)
Lo studio di come far fare ai computer cose che, al momento, le persone fanno meglio (RichKnight, 1991) La branca dellinformatica che si occupa dellautomazione del comportamento intelligente (LugerStubblefield, 1993)
Le visioni dellIntelligenza Artificiale ricadono
in quattro categorie
Pensare come un essere umano Pensare razionalmente
Agire come un essere umano Agire razionalmente
47

• Le premesse
• delle Scienze Cognitive

48

• Lessere coinvolto nello studio delle scienze
  cognitive significa accettare determinate
  premesse sulla natura del pensare e
  dellintelligenza

49
Le premesse delle Scienze Cognitive

• Il pensiero è un tipo di calcolo
• I processi di informazione sono dotati di
  significato sono rappresentabili in maniera
  formale

50

• Le scienze cognitive sono una basic science -
  o in altre parole
• una scienza che cerca teorie generali del
  comportamento intelligente
• nonostante gli scienziati cognitivi riconoscano
  che le differenze individuali del pensiero
  esistono, quello che cercano sono le leggi o
  principi universali sottostanti a tutte le forme
  di intelligenza
• Inoltreanche se molte applicazioni pratiche
  possono emergere dalla ricerca delle scienze
  cognitive
• Il fine ultimo della ricerca in questo campoè
  capire la conoscenza stessa

51

• Metodi di ricerca delle Scienze Cognitive

52

• un pensiero non si può vedere, e non puoi
  misurare or pesare unideama
• gli eventi mentali possono essere descritti ed
  analizzati tramite una varietà di metodi
  scientifici

53

• lIntrospezione - non è molto attendibile ma può
  fornirci ipotesi preliminari da andare a testare
  dopo con metodi più obiettivi

54

• Tempi di reazione - misurando la velocità di un
  certo tipo di elaborazione possiamo dedurre
  lattivazione inconscia di concetti e dei
  processi che non sono accessibile alla
  introspezione

55
Metodi neurologici classici

• Studio di lesioni nel cervello postmortem -
  metodo classico
• Studio delle afasie (disturbi del linguaggio dopo
  danni cerebrali)

56
Metodi neurologici moderni

• Potenziali evocati
• Techniche di neuroimaging
• fMRI (functional magnetic resonance
• PET (Positron Emission Tomography)
• DTI (Diffusion tensor imaging)

57
Modelli Computazionali

• più cresce la nostra conoscenza di particolari
  processi cognitivi, più siamo in grado di
  sviluppare simulazioni di essi
• questo ci consente di migliorare le nostre
  definizioni e teorie
• spesso gli scienziati cognitivi paragonano i
  comportamenti di pensatori umani con quelli di
  pensatori artificiali attraverso modelli
  computazionali

58

• Un esempio di un modello matematico o modello
  computazionale basato su le reti neuronali
  biologici sono le reti neuronali artificiali

59

• consistono in un gruppo di neuroni artificiali
  connessi tra di loro
• che elaborano informazione utilizzando un
  approccio connessionista alla computazione
• nella maggior parte dei casi una rete neuronale
  artificiale (artificial neural network) è un
  sistema adattivo che cambia la sua struttura a
  secondo linformazione esterna o interna che
  passa attraverso la rete durante le fasi di
  apprendimento o addestramento

60
Conclusioni

• Le scienze cognitive rappresentano uno dei campi
  di ricerca più eccitanti e interessanti della
  epoca in cui viviamo
• si concentrano su una delle tematiche più antiche
  nella storia delle idee delluomo, ma lo fanno
  applicando le tecnologie moderne
• rappresentano uno sforzo interdisciplinare che
  coinvolge una varietà di campi di ricerca