Scienze
cognitive
Guido Boella
Leonardo Lesmo
guest stars:
Vincenzo Lombardo
…
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/cogsci
04
• 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
• …
• …
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 immagini
e.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 scomponibile
in 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
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.
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 azioni
cioè 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 processo
basato 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. JohnsonLaird, 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
Risultati
Procedure
Errori
AI dura
migliori
no vincoli
da evitare
AI morbida
uguali
uguali
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 teoria
Teoria
Modello
Programma
Sperimentazione
Simulazione
Confronto