Neural reuse – teorie ponownego wykorzystania na przykładzie teorii Michaela Andersona

1. Neural reuse – teorie ponownego wykorzystania na przykładzie teorii Michaela Andersona Edyta Ciechowicz Kognitywistyka, III rok

2. Teoria ponownego wykorzystania (neural reuse) • Funkcjonalne spojrzenie na organizację mózgu • W strukturze mózgu możliwe jest ponowne wykorzystanie określonych obwodów neuronowych do różnych celów – pojedyncze obwody mogą być używane w wielu funkcjach poznawczych, w różnych dziedzinach zadań • W toku ewolucji bądź rozwoju osobniczego pewne połączenia mogą zostać użyte w inny sposób, co nie musi oznaczać utraty funkcji pierwotnej • Proces ten jest ograniczony poprzez wydajność danego obwodu

3. Co takie teorie mogą wyjaśnić? • Ewolucja oraz rozwój mózgu • Stopień modularności ludzkiego mózgu • Problem podziału funkcjonalnego kory • Możliwości strukturalnego mapowania funkcji

4. Ponowne wykorzystanie a neuroplastyczność • O neuroplastyczności mówi się najczęściej w przypadku utraty określonej funkcji, uszkodzenia danego fragmentu mózgu, tj. w kontekście przebudowy ustalonych połączeń nerwowych i produkcji nowych, czyli niezależnie od funkcji pierwotnej • Ponowne wykorzystanie natomiast oznacza nabywanie nowych funkcji: • Przez obszary o ustalonych już funkcjach • Bez konieczności zajścia dużych zmian w strukturze połączeń • Bez utraty funkcji pierwotnej czy w wyniku uszkodzenia

5. Teorie ponownego wykorzystania • Vittotio Gallese – eksploatacja neuronowa (neural exploitation) • Susan Hurley – model dzielonych obwodów (shared circuits model) • Stanislas Dehaene – recykling neuronalny (neuronal recycling) • Michael Anderson – rozległe ponowne rozlokowanie (massive redeployment)

6. Massive redeployment Andersona • Nacisk położony na aspekt ewolucyjny: • Realizacja funkcji poznawczych w trakcie ewolucji • W toku ewolucji następuje raczej wykorzystanie istniejących już połączeń w nowych zadaniach, niż powstawanie zupełnie nowych obwodów neuronalnych

7. Massive redeployment Andersona – wnioski • Konkretne obszary w mózgu powinny więc wykazywać aktywność podczas wykonywania różnych zadań, angażujących odmienne funkcje poznawcze • Filogenetycznie starsze obszary, ze względu na to, że były dłużej dostępne dla procesu ponownego wykorzystania, powinny być częściej wykorzystywane przez nowe funkcje • Powinien istnieć związek pomiędzy filogenetycznym wiekiem funkcji poznawczej a stopniem rozproszenia jej umiejscowienia w mózgu

8. Massive redeployment Andersona – dowody (1) • Konkretne obszary w mózgu powinny więc wykazywać aktywność podczas wykonywania różnych zadań, angażujących odmienne funkcje poznawcze • Dowód: badania fMRI wykazały, że typowy obszar korowy aktywowany jest przez zadania z dziewięciu różnych dziedzin

9. Massive redeployment Andersona – dowody (2) • Filogenetycznie starsze obszary, ze względu na to, że były dłużej dostępne dla procesu ponownego wykorzystania, powinny być częściej wykorzystywane przez nowe funkcje • Dowód: im bardziej dany region położony w tyle mózgu, w tym większą ilość zadań jest zaangażowany

10. Massive redeployment Andersona – dowody (3) • Powinien istnieć związek pomiędzy filogenetycznym wiekiem funkcji poznawczej a stopniem rozproszenia jej umiejscowienia w mózgu • Dowód: zadania językowe aktywują bardziej rozproszone obszary niż zadania związane z percepcją wzrokową czy uwagą

11. Wnioski z teorii • Różnice pomiędzy określonymi funkcjami nie mogą zostać wyjaśnione jedynie na podstawie umiejscowienia w mózgu • Jeśli chcemy zrozumieć funkcjonalne różnice między określonymi dziedzinami poznawczymi, powinniśmy obserwować współpracę pomiędzy określonymi rejonami

12. Argumenty za teorią ponownego wykorzystania • Zebrano wyniki 2603 badań fMRI, w których wyróżniono 21553 obrazy aktywacji, wyróżniono 968 obszarów – 91,8% z nich było wykorzystanych w co najmniej dwóch dziedzinach (z 11) – średnio każdy z tych obszarów był aktywny w 4,32 dziedzinach • Wyniki 35 badań PET badających różne funkcje pokazują, że każde z zadań aktywowało średnio 3,3 różne pola Brodmanna, natomiast każde z pól Brodmanna było aktywne przy 3,4 różnych zadań

13. Argumenty za teorią • Struktury mózgu nie są ściśle wyspecjalizowane w sztywnie określonych funkcjach • Wiele obszarów zaangażowanych jest w różne funkcje, np.: • pole Broca – poza funkcjami językowymi zajmuje się również zadaniami związanymi z działaniem czy wyobraźnią (przygotowywanie ruchu, następstwo działań, rozpoznawanie działań, wyobrażanie ruchu ludzkiego, naśladowanie działań) • obszary związane z widzeniem oraz ruchem aktywują się również w związku z przetwarzaniem językowym • obszar odpowiedzialny za rozpoznawanie twarzy reaguje również na inne bodźce

14. Przykłady ponownego wykorzystania(1) • Kontrola motoryczna i język: • słuchanie słów związanych z ruchem aktywuje rejony kory ruchowej, jest to tzw. efekt kompatybilności pomiędzy działaniem a zdaniem (action-sentence compatibility effect) – obwody kontroli motorycznej zaangażowane są w rozumienie języka • Kontrola motoryczna i pamięć: • badani byli proszeni o przenoszenie kulek z jednego pojemnika do drugiego, w górę lub w dół i wydobywanie wspomnień pozytywnych bądź negatywnych – wydobywanie wspomnień autobiograficznych następowało bardziej efektywnie, jeśli ich ocena była zgodna z kierunkiem ruchu kulek • badani poproszeni zaś o przypomnienie jakiegokolwiek wydarzenia mieli tendencję do wydobywania wspomnień pozytywnych, jeśli w zadaniu kulki przenosili do góry i odwrotnie

15. Przykłady ponownego wykorzystania(2) • Poznanie przestrzenne: • związek z rozumieniem języka: czasowniki związane ze schematami przestrzennymi, np. mieć nadzieję (hope) aktywują schematy wertykalne, a pchać (push) horyzontalne • mentalna reprezentacja czasu silnie związana jest z kategoriami przestrzennymi • decyzja czy liczba jest parzysta czy nieparzysta zostaje podjęta szybciej jeśli małe liczby wyświetlane są po lewej stronie a duże po prawej • Poznanie numeryczne: • obszar motoryczny dłoni aktywuje się w zadaniu matematycznym • stymulacja korowa lewego zakrętu korowego powoduje zarówno akalkulię, jak i agnozję palców • Percepcja a poznanie: • związek pamięci operacyjnej i obszarów odpowiedzialnych za produkcję mowy

16. Wnioski i zastosowania teorii • Mapowanie struktury do funkcji – wieloaspektowe, wymaga badań wielu dziedzin ludzkiego funkcjonowania • Zwrócenie większej uwagi na interakcję pomiędzy różnymi obszarami mózgu • Odrzucenie teorii anatomicznej modularności, wątpliwości co do modularności funkcjonalnej • Możliwości nowych terapii po uszkodzeniu mózgu • Możliwości zastosowania wiedzy o ponownym wykorzystaniu w sztucznej inteligencji

17. Teoria ponownego wykorzystania a inne teorie (1) • Modularność anatomiczna (anatomical modularity): zakłada modularność funkcjonalną – istnienie podsystemów, które wyspecjalizowane są w określonych funkcjach. Teoria ponownego wykorzystania zakłada, że te same obszary mózgu mogą zostać wykorzystane przez różne funkcje, poprzez użycie określonych obwodów neuronalnych w różny sposób. Nie ma więc modularności, rozumianej jako zaangażowanie danych regionów w wysoko wyspecjalizowaną, jedną funkcję.

18. Teoria ponownego wykorzystania a inne teorie (2) • Optymalne połączenia (optimal wiring): umiejscowienie przestrzenne określonych obszarów odpowiada optymalnemu rozmieszczeniu, minimalizując długość połączeń neuronów niezbędnych do stworzenia danej struktury. Ta teoria jest kompatybilna z teorią ponownego wykorzystania – długość połączeń nie jest jedynym z ograniczeń struktury mózgu, natomiast optymalizacja globalna niekoniecznie oznaczać musi optymalizację konkretnych połączeń. Przewidywać można, że starsze ewolucyjnie mózgi osiągnęły większą optymalność, ponieważ miały na to więcej czasu.

19. Teoria ponownego wykorzystania a inne teorie (3) • Rozległa modularność (massive modularity): teza o istnieniu odrębnych, niezależnych od siebie modułów. Teoria ta może być zgodna z teorią Andersona, pod warunkiem przyjęcia „myślenia sieciowego”, spojrzenia na wzory wyższego rzędu w systemie złożonym, na wzory wspólnej aktywacji neuronalnej, a nie tylko strukturalne umiejscowienie obszarów zaangażowanych w wykonanie danego zadania.

20. Teoria ponownego wykorzystania a inne teorie (4) • ACT-R: architektura kognitywna, teoria wyjaśniająca i symulująca działanie ludzkiego umysłu. Architektury kognitywne umożliwiają modelowanie komputerowe działania ludzkiego umysłu poprzez implementację schematów działania funkcji poznawczych. W ramach ACT-R naukowcy mogą tworzyć modele oraz sprawdzać swoje założenia poprzez porównanie wyników osiągniętych przez ludzi oraz wyników modelu. Został stworzony, aby wyjaśnić, w jaki sposób ludzie organizują wiedzę oraz produkują inteligentne zachowanie. ACT-R zakłada modularność funkcjonalną mózgu, jednak nie modularność anatomiczną. Wyniki otrzymane dzięki ACT-R są zgodne z teorią ponownego wykorzystania – różne obszary mózgu są zaangażowane w określone zadanie, a pojedynczy obszar aktywny w różnych zadaniach.

21. Teoria ponownego wykorzystania a inne teorie (5) • Klasyczne przetwarzanie równoległe i rozproszone (classic paralel distributed processing): rozumowanie podobne do założeń teorii ponownego wykorzystania – nacisk na kooperację, nie-modularność oraz dostrzeżenie wielości związków pomiędzy położeniem anatomicznym a złożonymi funkcjami poznawczymi i zachowaniem.

22. Teoria ponownego wykorzystania a inne teorie (6) • Teoria metafor konceptualnych (conceptual metaphor theory): rozumienie i poznanie oparte są na myśleniu metaforycznym, np. rozumienie metafory „miłość to wojna” angażuje rozumienie pojęcia „wojna” w kontekście miłości.

23. Bibliografia • Anderson M. L., „Evolution of Cognitive Function via Redeployment of Brain Areas”, Neuroscientist 13(1)/2007, ss.1–9; • Anderson M. L., „Neural reuse: A fundamental organizational principle of the brain”, Behavioral and Brain Sciences 33/2010, ss. 245–313; • Anderson M. L., „The Massive Redeployment Hypothesis and the Functional Topography of the Brain”, Philosophical Psychology 20(2)/2007, ss. 143–174; • Duch W., „Architektury kognitywne, czyli jak zbudować sztuczny umysł”, http://www.fizyka.umk.pl/publications/kmk/08-Architektury-kognitywne.pdf, data pobrania: 12.03.2012 • ACT-R, http://act-r.psy.cmu.edu/, data pobrania: 12.03.2012