Introduzione alle Scienze
Cognitive
Cosa sono le
Scienze Cognitive?
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so no n ece ssari per vi sual izza re qu est'imm agin e.
“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?
Le Scienze Cognitive sono:
• un tentativo interdisciplinare di capire il
processo del pensare
• uno sforzo di definire cosa significhi
essere intelligente
Scienze Cognitive
 approccio
interdisciplinare che si
trova agli incroci delle
seguenti discipline:
–
–
–
–
–
–
Psicologia
Computer Science
Filosofia
Linguistica
Antropologia
Neuroscienza
QuickTime™ e un
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sono necessar i per visualizzare quest'immagine.
• 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
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
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• (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 l’odore del pollo del
girarrosto che hai appena passato
• perfino la canzone che ascolti alla
radio causa un complesso
processo di elaborazione dati
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
Definizioni
• Secondo Gardner (1985), le scienze cognitive (o
cognitive science) sono nate 11 Settembre 1956 ad
un simposio sulla teoria dell’informazione 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
• negli anni molti autori hanno definito cognitive
science in una varietà di modi:
• “la scienza dei sistemi intelligenti” - George Luger
(1981)
• “lo studio dell’intelligenza e dei sistemi intelligenti” Simon & Kaplan (1989)
• “la scienza della mente” - Stillings et al. (1995)
• “lo studio scientifico interdisciplinare della mente” Green (1996)
• L’ampiezza 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 animale…e
perfino…
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– la “mente” di un computer
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s ono nec es s ari per vi s uali zzare ques t 'im magi ne.
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”
Le discipline delle
Scienze Cognitive
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sono necessar i per visual izzare q uest' immag ine.
• 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
• Parliamo un po’ di 5 di queste discipline
–
–
–
–
–
Filosofia
Psicologia
Neuroscienze
Linguistica
Computer scienze (informatica/scienze
computazionali)
La Filosofia
• La filosofia si è interessata a questioni riguardanti la
logica e il significato (insieme a trante altre…)
• la domanda “cos’è 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; l’atto di conoscere)
Da dove viene la conoscenza?
Questa domanda ha avuto un profondo
impatto sulle scienze cognitive
Aristotele
384 a.C. - 322 a.C
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sono nec es sari per visualiz zare quest'immagine.
• aveva punto di vista
empirico
• diceva che la
conoscenza veniva
dall’esperienza che
abbiamo del mondo che
ci circonda (Barnes,
1987)
Platone
(Atene, 427 a.C. - Atene , 347 a.C.)
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• credeva invece che gran
parte della conoscenza
umana fosse innata e….
• che molto di quello che
consideriamo
“apprendimento” non sia
altro che l’attivazione di
memorie di conoscenza
che già possediamo prima
della nascita (Hamilton &
Cairns, 1961)
Ricordiamoci di Cartesio
“Cogito ergo sum”
(“Penso, dunque sono”)
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so no n ece ssari per vi sual izza re qu est'imm agin e.
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
l’esistenza di Dio ma sostenne che Egli aveva creato due
sostanze:
–
–
la sostanza pensante (res cogitans), la cui caratteristica
essenziale è il pensiero…e…
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
pensiero…e…
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.
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, l’immaginazione, i
desideri, i sogni, le emozioni…ecc.) 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!
Psicologia
• lo studio scientifico del comportamento
e dei processi mentali (Matlin, 1999)
• la sua metodologia enfatizza
l’osservazione sistematica e gli
esperimenti controllati
• fin dall’inizio, i primi psicologi erano
interessati allo studio di processi
cognitivi come la memoria, il linguaggio,
la percezione e il ragionamento
• l’interesse della psicologia nella
misurazione dell’intelligenza risale agli
inizi del XX Secolo quando…
• psicologi come Alfred Binet svilluparono
i primi test dell’intelligenza per
identificare studenti con problemi di
apprendimento nelle scuole di Parigi
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
• 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)
Le Neuroscienze
•studiano
l’organizzazione e
il funzionamento
del cervello e del
sistema nervoso
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Il Sistema Nervoso Centrale
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La Neuroscienza Cognitiva
• si concentra sulla congettura che il pensiero è
spiegabile in termini di funzioni
elettrochimiche dei neuroni
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Cosa sono i neuroni?
• I neuroni sono:
– le cellule del sistema nervoso
– sono specializzate per trasportare
“messaggi” tramite un processo elettrochimico
– Il cervello ha circa 100 miliardi di neuroni
I neuroni
• hanno forme e dimensioni diverse
– i più piccoli sono grandi solo 4 micron
– i più grande possono arrivare a 100 micron (1
micron=un millesimo di millimetro)
Esempio di un tipo di neurone:
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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..)
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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)
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Da neurone a neurone
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Il neurone è speciale
• Cos’è 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 dell’organo
Lo stesso non si può dire del cervello!
– Le cellule del cervello, i neuroni, partecipano in
una miriade di attività (il vedere, l’udire, il pensare,
il provare emozioni, nell’avere consapevolezza di
se…ecc.)
Lo studio dell’architettura dei neuroni ci aiuta a
cominciare a capire il perché il cervello è così
multifunzionale
Io sono i miei neuroni! O no?
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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 dell’intelligenza umana e
delle macchine
• 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
Elaborazione Parallela
• l’idea 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
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, ecc…e le regole
dietro la loro combinazione in frasi corrette
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• 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
• le teorie di Chomsky hanno avuto un
fortissimo impatto sulle scienze
cognitive e per molti anni hanno
dominato la ricerca…ma….
• oggi non sono condivisi da tutti e
spiegazioni alternative sulla cognizione
del linguaggio negli essere umani
diventano sempre più frequenti
Computer Science
(l’informatica 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 dell’intelligenza
e ad esaminare le possibilità dell’intelligenza
artificiale
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Alan Turing
(Londra, 23 giugno 1912 - Manchester, 7 giugno 1954)
• Primo computer scientist a
concentrarsi sulla questione
dell’intelligenza delle
macchine e…
• come si potrebbe
determinare se una
macchina è intelligente o no
• 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
Cosa è l’Intelligenza Artificiale
“[L’automazione
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”
(Charniak+McDermott, 1985)
Lo studio delle computazioni che rendono
possibili percezioni, ragionamenti e azioni
(Winston, 1992)
“Lo studio di come far fare ai computer “La branca dell’informatica che si
cose che, al momento, le persone occupa
dell’automazione
del
fanno meglio”
comportamento intelligente”
(Rich+Knight, 1991)
(Luger+Stubblefield, 1993)
Le visioni dell’Intelligenza Artificiale ricadono in quattro categorie:
Pensare come un essere
umano
Pensare razionalmente
Agire come un essere umano
Agire razionalmente
Le premesse
delle Scienze Cognitive
•
L’essere coinvolto nello studio delle
scienze cognitive significa accettare
determinate premesse sulla natura del
pensare e dell’intelligenza
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
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
– Inoltre…anche se molte applicazioni pratiche possono
emergere dalla ricerca delle scienze cognitive…
– Il fine ultimo della ricerca in questo campo…è capire la
conoscenza stessa
Metodi di ricerca delle Scienze Cognitive
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• un pensiero non si può
vedere, e non puoi
misurare or pesare
un’idea…ma…
• gli eventi mentali
possono essere
descritti ed analizzati
tramite una varietà di
metodi scientifici
• l’Introspezione - non è molto attendibile ma
può fornirci ipotesi preliminari da andare a
testare dopo con metodi più obiettivi
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sono necessari per visualizzare quest'immagine.
• Tempi di reazione - misurando la
velocità di un certo tipo di elaborazione
possiamo dedurre l’attivazione
inconscia di concetti e dei processi che
non sono accessibile alla introspezione
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Metodi neurologici classici
• Studio di lesioni nel
cervello postmortem metodo classico
• Studio delle afasie
(disturbi del linguaggio
dopo danni cerebrali)
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Metodi neurologici moderni
• Potenziali evocati
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• Techniche di neuroimaging
– fMRI (functional magnetic
resonance
– PET (Positron Emission
Tomography)
– DTI (Diffusion tensor
imaging)
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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
• Un esempio di un modello matematico o
modello computazionale basato su le
reti neuronali biologici sono le reti
neuronali artificiali
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• 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 l’informazione
esterna o interna che passa
attraverso la rete durante le
fasi di apprendimento o
addestramento
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 dell’uomo, ma
lo fanno applicando le tecnologie moderne
• rappresentano uno sforzo interdisciplinare
che coinvolge una varietà di campi di ricerca