Vad är kognitionsvetenskap? Kognitionsvetenskaplig introduktionskurs Föreläsning 7 Tvärvetenskap Delvetenskaper, metoder Integrationsutmaningen Kognitionsvetenskap är ett tvärvetenskapligt kunskaps- och forskningsområde som studerar tänkande, språk och kommunikation hos naturliga och artificiella system i samspel med den fysiska och sociala miljön (Nils Dahlbäck) Tvärvetenskap Kognitionsvetenskap nyttjar teorier och metoder från många delvetenskaper Vad har dessa delvetenskaper gemensamt och hur kan de bidra i en gemensam tvärvetenskaplig strävan? Vetenskapliga metoder Empiriska metoder Kvantitativa Kvalitativa Formella och dator-modeller Diskret matematik och Logik Programmering Design och utvärdering Konversation- och samtalsanalys fmri, EEG,. Tankeexperiment Etnografisk metod 3 4 Vetenskapliga metoder Metoder inom kognitionsvetenskap Ämne Studieobjekt Huvudmetoder Mål Datavetenskap Filosofi Lingvistik Neurovetenskap Beräkning Beräkningsmekanismer Medvetande, existens, kunskap Datavetenskapligt tänkande, programmering Konceptuell analys, logik, tankeexperiment Språk och kommunikation Experiment med människor Människans och djurs nervsystem Laborativaexperiment med människor (och djur) Psykologi Människan i sig Experiment med människor Antropologi Människor i sin miljö Fältstudier av människor i sin miljö Skapaoch utvärdera beräkningsmekanismer som implementerar tänkande Förstå tänkandets och medvetandets förutsättningar och möjligheter Kartlägga och förstå naturligt språk och kommunikation Kartlägga och förstå människans och djurs neurofysiologi/ Kartlägga och förstå hur människans olika förmågor och egenskaper avspeglas i form av aktivitet i hjärnan Kartlägga och förstå mänskligt beteende Kartlägga och förstå mänskligt beteende i ett sammanhang Formella modeller och datorimplementeringar SHRDLU Empiriska undersökningar Mental imagery Linköpings universitet 1
Empiriska undersökningar Formella modeller och datorimplementeringar TEORI HYPOTES EXPERIMENT/ UNDERSÖKNING TEORI MODELL IMPLEMENTATION TESTNING Tvärvetenskap Kognitionsvetenskap nyttjar teorier och metoder från många delvetenskaper Vad har dessa delvetenskaper gemensamt och hur kan de bidra i en gemensam tvärvetenskaplig strävan? Delvetenskaper Psykologi Datalogi och Artificiell Intelligens Lingvistik och kommunikation Neurovetenskap Filosofi Antropologi 9 10 Sloan report, 1978 Sloan report, 1978 Identifierar kopplingar mellan olika delvetenskaper, men inte varför dessa kopplingar finns Hjälper oss inte att förstå vad varje delvetenskap bidrar med 11 12 Linköpings universitet 2
Nivåer Fysisk och social miljö Kognition ( the mind ) Neurologi Situerad och distribuerad kognition Sub-symbolisk kognition / neurokognition Three dimension model 13 14 Integrationsutmaningen En enhetlig förklaring av kognition som baseras på och integrerar hela rymden Ett ramverk som visar den gemensamma nämnaren för alla delvetenskaper som studerar kognition och hur de är relaterade till varandra Kognitionsvetenskap är mer än summan av delarna Lokal integrering Två eller flera delvetenskaper Evolutionär psykologi och psykologiska resonemang Psykologi och neurologi Lingvistik och datalogi Datalogi och neurologi 15 16 Global integrering Interteoretisk reduktion Försöker definiera relationen mellan Olika nivåer av förklaring Olika nivåer av organisation (Interteoretisk reduktion) Marr s trenivåmodell Mentala arkitekturer Termodynamik Temperatur Volym Energi Tryck Brygga Temperatur är medelvärdet av molekylers rörelseenergi Statistisk mekanik Statistiska egenskaper hos molekyler Mekaniklagar 17 18 Linköpings universitet 3
Kognitionsvetenskapens lagar? Marr s trenivåmodell (1982) Beräkningsnivå Vad är målet med informationsbearbetningen? Vilka indata och utdata förväntas? Algoritmnivå Hur utförs informationsbearbetningen? Implementationsnivå Vad är den fysiska realiseringen av algoritmen? Top-down analys av kognitiva system Exempliferias av Marr för mänskligt seende, baserat på neuropsykologi, psykofysik, fysiologi 19 21 Marr s trenivåmodell Exempel Beräkningsnivå Visuella systemet ska ge en 3D representation av den visuella omgivningen. Representations ska kunna användas för att känna igen och klassificera objekt, dvs måste innehålla information om form och rumsliga aspekter Denna 3D representation är objekt-centrerad snarare än person-centrerad Marr s trenivåmodell Exempel Algoritmnivå Input = ljus som träffar näthinna Output = 3D representation av omgivningen Frågor: Vilken typ av information kan extraheras från ljuset på näthinnan? Hur kan systemet gå från denna information till en 3D representation av omgivningen? Angreppsätt: Vi behöver finna representationer som tillåter oss att överbrygga strukturen hos bilden till strukturen hos omgivningen 22 23 Primal sketch 2.5D sketch Förändringar i ljusstyrka kan användas för att hitta former Där intensiteten blir noll (dvs. vitt i bilderna) finns det en kontur Tillsammans med annan information kan detta användas för att skapa en primal sketch Visar riktning på synbara ytor i ett person-centrerat koordinatsystem Visar avstånd för varje punkt till personen Visar också riktning på varje punkt och kontur Mycket enkel information om djup 24 26 Linköpings universitet 4
3D sketch Visar former och deras rumsliga organisation Objekt-centrerad Visar förenklade volymer och ytor Marr s trenivåmodell Exempel Representation Primal sketch, zero crossings 2,5 D sketch 3 D modell 27 28 Marr s trenivåmodell Marr s trenivåmodell Problem Fungerar ej som generell metod, eftersom den endast passar modulära kognitiva system, och alla kognitiva system inte är modulära För icke-modulära system är det problematiskt både att analysera uppgiften, utforma en algoritm och implementera algoritmen Frame-problemet är mycket problematiskt för system som inte är inkapslade 29 30 Mentala arkitekturer Studerar frågor gemensamma för alla delvetenskaper: I vilken form representeras information i ett kognitivt Hur transformeras informationen i ett kognitivt Hur är medvetande organiserat? Svaret på frågorna 1-2 kan dock variera beroende på vad man anser med ett kognitivt system, t ex : neuron eller medvetandet som helhet minne, beslutsfattande eller språk Svaret på fråga 3 har besvarats utifrån både generella och domänspecifika funktioner Fysiska symbolsystem Symboler! Symbolerna kan kombineras till komplexa symbolstrukturer! Hur transformeras informationen i ett kognitivt Regelstyrda processer/algoritmer för att transformera symboler och symbolstrukturer Algoritmerna kan uttryckas i symboler! 31 32 Linköpings universitet 5
Language of Thought Formellt mentalt språk liknande logik Belief, Desires, Intentions Propositionella attityder Hur transformeras informationen i ett kognitivt Slutledningar kan göras utifrån regler som endast beror på strukturen/syntax Eftersom det mentala språket är ett formellt språk så följer reglerna semantiska restriktioner: Om premisser är sanna måste också slutsatser vara sanna Neurala nätverk Distribuerat över många icke-symboliska sammanlänkade enheter Hur transformeras informationen i ett kognitivt Generella regler för hur aktivering sprider sig Generella regler för hur länkar justeras (lär från erfarenhet) 33 34 FSS kontra NN Är konnektionism ett alternativ till fysiska symbolsystemshypotesen, eller en implementation? (jfr Marrs algoritmiska nivå och implementationsnivå!) Har människor bara en typ av kognition, eller kan det finnas flera olika, t ex symbolbearbetning för mer abstrakta resonemang och problemlösning och distribuerade för percpetion och mönstermatchning? Situerad och distribuerad kognition Internt i individer och externt i artefakter Hur transformeras informationen i ett kognitivt I en interaktion mellan individer och artefakter 35 37 Mentala arkitekturer Studerar frågor gemensamma för alla delvetenskaper: I vilken form representeras information i ett kognitivt Hur transformeras informationen i ett kognitivt Hur är medvetande organiserat? Svaret på frågorna 1-2 kan dock variera beroende på vad man anser med ett kognitivt system, t ex : neuron eller medvetandet som helhet minne, beslutsfattande eller språk Svaret på fråga 3 har besvarats utifrån både generella och domänspecifika funktioner Modularitet (Fodor, 1983) Medvetandet består av högnivå generella centrala processer och lågnivå specifika modulära processer 39 40 Linköpings universitet 6
Modulära processer Domänspecifika Inkapslad information Automatisk användning Snabba Associerade med specifika regioner i hjärnan Specifika mönster för misslyckanden Exempel från perception: Färg, form, 3D rumsliga relationer, ansiktsigenkänning, grammatisk analys av talade yttranden, känna igen röster Centrala processer Värderar, jämför och sammanför utdata från modulära processer Quinean Kunskap som helhet Individens teori om världen Konsekvent och Koherent Isotropisk INTE inkapslad information 41 42 Problem? Fodor s first law of the nonexistence of cognitive science: The more global a cognitive process is, the less anybody understands it LOT bygger på att meningar kan manipuleras syntaktiskt, utan hänsyn till kontexten, men centrala processer är beroende av kontexten Massive modularity (Cosmides& Tooby, 1994) Det finns bara specialiserade kognitiva system som uppstått genom evolution (naturligt urval) för att lösa specifika uppgifter Dessa uppfyller inte Fodors definition av modulära processer! Argument för: Domänspecifik (negativ) feed-back på beteeenden Statistiskt återkommande domänspecifika mönster Argument mot: Hur filtreras indata till en modul? Hur hanteras motstridiga utdata från flera moduler? 43 44 Linköpings universitet 7