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COSCIENZA ARTIFICIALE
dal riflesso al pensiero
modelli neurali sensori-motori e cognitivi
Neri Accornero e Marco Capozza
Aracne editrice 2009
Cosa sono la mente, il pensiero, la coscienza? Da millenni l'Uomo si pone queste domande, cercando risposta nella religione, nella filosofia, e, più recentemente, nella psicologia, nella matematica, e ora nelle neuroscienze. La comunità scientifica ha salutato l'inizio del terzo millennio come 'il Decennio della Mente'.
Tuttavia, a pochi anni di distanza, un neuroscienziato come Steven Rose ancora afferma: "superato il Decennio del Cervello e a metà del supposto Decennio della Mente, siamo ancora ricchi di dati e poveri di teorie". E veramente ancora si elaborano e si pubblicano modelli della mente che ben poco hanno di scientifico, e molto hanno di arbitrario, pregiudiziale, fideistico.
Ciò è quasi scandaloso, poiché da alcuni decenni sono a disposizione i concetti, i metodi e gli strumenti atti a fornire risposte, o almeno formulare ipotesi, scientifiche e verificabili.
Questo libro descrive lo studio delle funzioni sensori-motorie fondamentali (coordinazione sensori-motoria, capacità di muoversi e di mantenere la postura contro perturbazioni) e le funzioni mentali superiori (apprendimento, pensiero, ragionamento, coscienza) tramite simulazioni al computer con reti neurali artificiali sottoposte ad algoritmi genetici, e correla i modelli ricavati con il sistema nervoso in particolare umano. L'opera può essere letta a differenti livelli di approfondimento.
Ad un livello generale crediamo che le modalità di studio presentate siano comprensibili anche ai 'non addetti ai lavori', e dimostrino come uno studio scientifico della mente sia possibile come per gli altri campi della biologia e della fisica. Ad un livello più approfondito pensiamo di fornire conoscenze specifiche di neurofisiologia e strumenti informatici idonei alla prosecuzione degli studi in questo ambito.
Il primo punto di riferimento concettuale indispensabile per affrontare uno studio scientifico della mente è la scienza dei sistemi dinamici complessi, talora evocativamente chiamata 'scienza del caos'. L'organo in cui nascono pensiero, coscienza, e ogni altra funzione mentale, è il sistema nervoso, che è un sistema dinamico complesso, un insieme di elementi le cui proprietà e comportamenti collettivi sono, come si usa dire, 'superiori alla somma delle parti'. Le proprietà di questi sistemi, 'proprietà emergenti', nascono da una massiccia interazione tra i loro elementi costitutivi fondamentali, le cui operazioni individuali possono essere anche relativamente semplici.
Il secondo punto di riferimento concettuale del nostro libro è il 'connessionismo'. Non si può capire un sistema dinamico complesso scomponendolo nei suoi costituenti fondamentali: il classico riduzionismo scientifico non è qui d'aiuto. D'altro canto mantenersi al livello più alto, quello della psicologia e della filosofia, permette di osservare e descrivere le proprietà emergenti, ma non di capire come queste si formino. Infine la scienza dei sistemi dinamici complessi ha mostrato che, persino conoscendo ogni singola equazione di ogni singolo elemento del sistema, non ne è prevedibile lo stato complessivo futuro integrando quelle equazioni: i sistemi dinamici complessi non sono integrabili. Attualmente l'unica metodologia idonea allo studio di questi sistemi appare essere la simulazione. Questa consente di comprendere i modi in cui le operazioni elementari si combinano per generare le proprietà emergenti, e inoltre costituisce un importante verifica funzionale di ogni ipotesi formulabile. Formulare modelli di mente, pensiero e coscienza basati sulla simulazione dinamica consente finalmente di uscire dal campo delle "storie proprio così", delle ipotesi arbitrarie poco o nulla verificabili, per entrare nell'ambito delle ipotesi verificabili con rigorose metodologie scientifiche.
Esistono dagli anni '80 validi modelli di simulazione del sistema nervoso. La branca della psicologia cognitiva che ha prodotto e studiato tali modelli è il connessionismo, e i suoi modelli sono oggi diffusamente noti con il nome di 'reti neurali artificiali'. Il livello di indagine del connessionismo è particolarmente idoneo alla ricerca sui sistemi nervosi quali sistemi dinamici complessi e sulle loro proprietà emergenti. Queste, infatti, appaiono differenti a seconda della scala a cui si osserva il sistema. Alla scala più bassa (quella delle neuroscienze, con il loro approccio cellulare, genetico e molecolare) è possibile osservare il comportamento dei singoli elementi, ma poco o nulla le proprietà emergenti. Alla scala più alta (quella delle discipline umane: psicologia e sociologia, nonché della filosofia) è possibile osservare il comportamento globale del sistema e le sue proprietà emergenti, ma non è possibile spiegare come tali proprietà emergano, e quindi comprenderle. Per comprenderle occorre collocarsi in una scala intermedia, e simulare il comportamento di aggregati neurali. È quanto fa il connessionismo.
Il connessionismo è quindi il secondo punto di riferimento concettuale di questo libro, e la simulazione tramite reti neurali è il suo principale strumento metodologico.
Il terzo, imprescindibile punto di riferimento concettuale è l'evoluzionismo. Fino ad oggi la ricerca sulle funzioni mentali superiori si è quasi inevitabilmente concentrata sulla consapevolezza umana, bene o male l'unica considerata degna di questo nome. Con risultati quanto mai incerti. Al contrario, questo libro parte dal considerare ogni funzione mentale (memoria, pensiero, ragionamento, coscienza, autoconsapevolezza) al pari di ogni altra funzione corporea che si è evoluta per aumentare le probabilità di sopravvivenza-riproduzione del portatore. Abbiamo insomma ritenuto insensato chiederci "cosa è la coscienza?" senza prima chiederci "a cosa serve?" e "come e perché si è evoluta?"
Questo ci ha portato ad una visione della mente che potremmo definire 'ecologica': cercare d'identificare le caratteristiche ambientali capaci di indurre la comparsa di una mente nelle specie in evoluzione.
Oggi sono disponibili anche metodologie di simulazione dell'evoluzione. Tali metodologie, abitualmente chiamate 'algoritmi genetici' e 'vita artificiale', sono agevolmente adattabili ai modelli connessionistici a reti neurali, con modelli ibridi che potremmo chiamare 'menti artificiali' o – da cui il titolo di questo libro – 'coscienza artificiale'. La sovrapposizione di metodologie evoluzionistiche e connessionistiche ha anche come gradito effetto collaterale il minimizzare il principale punto debole della metodologia simulativa. Il metodo simulativo, infatti, non garantisce di per sé l'attendibilità dei risultati: si pensi a come sia possibile simulare un universo geocentrico senza che questo ne provi l'esistenza. Questa critica, però, è valida per modelli simulati costruiti 'a tavolino' in modo da presentare le proprietà studiate. In questo caso i preconcetti e pregiudizi del ricercatore assumono necessariamente un ruolo preponderante nel determinare il modello. Tale critica perde invece validità quando, come in questo libro, le funzioni indagate non sono preconfezionate, ma compaiono 'spontaneamente' per evoluzione. Simulare in questo modo l'emergenza e l'evoluzione di facoltà sensori-motorie e cognitive, identificando e imponendo soltanto le condizioni ambientali in cui una data facoltà costituisce un fattore adattativo, è cosa completamente diversa dall'inserire a priori quella facoltà negli individui simulati. Nell'accennato esempio dell'universo geocentrico, una metodologia equivalente consisterebbe nel simulare l'universo dal big bang e osservare se l'universo che si forma è geocentrico oppure no: procedura non a prova di errore, ma corretta.
Infine, nella metodologia adottata la selezione evolutiva non misura la presenza o meno, negli individui simulati, della funzione indagata – che sarebbe del resto difficile o impossibile da quantificare. Invece, come nella selezione naturale e nella realtà biologica, sono esclusivamente gli effetti di quella funzione sul comportamento di chi la possiede ad influenzare le probabilità di sopravvivenza e riproduzione, e quindi la selezione. Per questo approccio specifico, che pone l'accento sugli effetti comportamentali delle funzioni indagate piuttosto che sulle funzioni in sé, abbiamo coniato il termine 'comportamentismo artificiale'.
In definitiva questo è un libro connessionista, evoluzionista e comportamentista, che studia la proprietà più sfuggente e meno definibile della mente, la coscienza, come una proprietà emergente dei sistemi nervosi prodotta dalla loro evoluzione nell'ambiente in cui sono immersi. La studia con un approccio 'dal basso' in senso filogenetico del tutto diverso dall'approccio dal basso 'molecolare' delle neuroscienze di base. La mente e la coscienza sono qui considerate proprietà emergenti adattative dei sistemi nervosi evoluti, conseguenze dell'aumento della loro complessità e interazione con un ambiente parimenti complesso.
Con questo approccio il libro risponde, almeno riduttivamente, alle seguenti domande:
1) cosa è la coscienza;
2) a cosa serve e perché esiste;
3) come funziona;
4) quali sono i suoi correlati neuroanatomici.
5) quali sono i metodi attuali più proficui per questi studi
Non sosteniamo di aver raggiunto una dimostrazione completa e incontrovertibile, ma abbiamo la presunzione di aver intrapreso una strada proficua allo stato delle attuali conoscenze.
Il libro è concepito per essere letto da esperti e non, in possesso di cultura almeno secondaria superiore scientifica (meglio se universitaria), ed è destinato a psicologi, neurologi, psichiatri, neuroscienziati, ingegneri robotici, filosofi, ricercatori, studenti, e semplici interessati agli argomenti della coscienza e delle altre funzioni mentali superiori. E' strutturato in due parti, di cui la prima fornisce i concetti e gli strumenti culturali per la comprensione della seconda, essenzialmente sperimentale.
Nella prima parte sono succintamente descritte e valutate alcune conoscenze scientifiche di tipo evoluzionistico, biologico e neurofisiologico che giustificano l'approccio modellistico comportamentale, e vengono fornite delucidazioni sulle metodologie informatiche utilizzate: reti neurali artificiali ed algoritmi genetici. Abbiamo cercato di semplificare al massimo i concetti, sperando di renderli accessibili anche a chi non abbia conoscenze specifiche nel campo. Capitoli che potrebbero comunque apparire ostici ad una prima lettura sono concepiti e inseriti in modo tale che la loro immediata comprensione non sia indispensabile per la comprensione globale dell'opera.
La seconda parte è costituita dalla descrizione e discussione degli esperimenti-simulazioni eseguiti al calcolatore su modelli di 'vita artificiale evolutiva', 'sistemi sensori-motori autoapprendenti', ed infine modelli di 'mente artificiale', che pongono forse più quesiti che risposte, ma che reputiamo interessante condividere con quanti avranno voglia di leggere fino in fondo queste pagine.
I risultati che abbiamo ottenuto con le nostre simulazioni al computer ci sembrano incoraggianti e confermano che i processi evolutivi hanno un notevole potenziale creativo anche se applicati in modo riduttivo a strutture artificiali. Questi risultati ci inducono a riconsiderare l'opinione di Gould, ampiamente condivisa da altri, secondo cui l'apparizione degli umani sul nostro pianeta è stata un evento fortuito e irripetibile. Ora sosteniamo che se il nostro pianeta ricominciasse dall'inizio, nelle stesse condizioni fisico-chimiche, forme di vita coscienti e intenzionalmente operative si evolverebbero inevitabilmente. Indipendentemente dal fatto che abbiano tentacoli o mani.
INDICE
Prefazione
Parte prima (evoluzione, neurobiologia, connessionismo)
Verso la complessità
Auto-organizzazione dei sistemi complessi
I replicanti sono tra noi
Spaziotempo
Interazione ambientale
Definizioni
Credenze
Comunicazione
Neuroni
Sistemi nervosi
Il formicaio imperfetto
Il governo centrale
Il connessionismo
Simulazione
Reti neurali artificiali
Algoritmi genetici
Reti forward e reti ricorrenti
Memoria e apprendimento nel sistema nervoso
Apprendimento hebbiano e "Learning-by-doing"
Ricorrenze e memoria a breve e lungo termine
Condizionamento classico e operante
Apprendimento hebbiano
Learning-by-doing
Intelligenza Pensiero Ragionamento
Un altro passo lungo la definizione del pensiero
Correlati neuroanatomici
Sogno
Emozioni
Consapevolezza: il settimo senso?
Aspetti operativi della coscienza
Linguaggio e consapevolezza
Volontà e libero arbitrio
Domande e risposte
Macchine pensanti?
Verifica di consapevolezza
Parte seconda (simulazioni con reti neurali)
Apprendimento genetico
'ALIFE' – Vita artificiale
'GAZE' – Modello bidimensionale occhi-testa
'BRACCIO' – Rete neurale per il controllo di un arto simulato
'POSTURA' – Postura eretta: modello autoapprendente
'ACOS' - Modelli cognitivi
Memoria fenotipica a lungo termine
Memoria elettrica o working memory
Pensiero e ragionamento artificiali
Riconoscimento del sé
Conclusioni
Considerazioni finali
Bibliografia per argomenti
ARTIFICIAL CONSCIOUSNESS
from reflex to thought
sensorimotor and cognitive neural models
Neri Accornero e Marco Capozza
Aracne ed. 2009
What is the mind, thought and consciousness?
For millenniums humanity has posed these questions, seeking an answer in religion, philosophy, and more recently in psychology, mathematics and now neuroscience. The scientific community has greeted the beginning of the third millennium as the 'Millennium of the Mind'.
In spite of these claims, the neuroscientist Stephen Rose remarked that even if we have passed beyond the Decade of the Brain into the mid Decade of the Mind, we still have plenty of data but little of theories. We still elaborate and publish models for the mind with poor scientific value and a lot of arbitrary, prejudicial and fideistic contents. This scenario seems almost scandalous, since it is decades now that we have the concepts, methods and tools to provide answers or at least to formulate verifiable scientific hypotheses that can efficaciously argue against a 'magic' view of how the human mind works.
This book describes studies on basic sensorimotor functions (sensorimotor coordination, ability to move and maintain posture) and superior mental functions (learning, thought, reasoning, consciousness) performed by simulating evolving artificial neural networks and verifying whether the investigated models correlated with actual nervous system functions, especially those of the human nervous system.
The book can be read at various levels. At a basic level, we believe that even lay readers can understand it and see that a scientific study is possible about the mind likewise biology and physics. For those wishing to get a deeper knowledge, our book provides specific information on neurophysiology and the computational tools useful to conduct studies in this field.
The first, indispensable reference point for undertaking a scientific study of the mind is the science of complex dynamic systems, sometimes evocatively called the 'science of chaos'. The organ that generates thought, consciousness and other mental functions is the central nervous system, a complex dynamic system comprising a collection of parts or entities whose properties and collective behaviors are, so to speak, 'greater than the sum of the parts'. These 'emergent properties' originate from massive interaction and feedback between the system components, whose individual operations can be relatively simple. A complex dynamic system cannot be understood by separating its basic components: the classic scientific reductionism does not help here. On the other hand, keeping ourselves at the higher level of psychology and philosophy allows us to observe and describe the emergent properties, but not to understand how they are formed. The science of complex dynamic systems has shown that even when we know every single equation governing the system, we cannot predict a future state of the system except by simulating it step by step over time. Therefore the only currently available feasible technique to study a complex dynamic system is simulation. Simulation provides insights on how elementary operations interact to generate emergent properties, and it also constitutes an important test bench for every formulated hypothesis. Simulated models of the mind, thought and consciousness finally let the research break away from the field of arbitrary hypotheses that are unverifiable or poorly verifiable, and allow us to enter into the field of hypotheses that can be checked with rigorous scientific methods.
Valid models to simulate the nervous system have existed since the 1980s. The branch of cognitive psychology that produced and studied those models is 'connectionism', and its models are now widely known under the name of 'artificial neural networks'. The connectionistic approach and level of investigation are particularly suitable to investigate complex dynamic systems such as nervous systems and their emerging properties. These properties, in fact, appear different according with the scale at which the system is observed. At the lowest scale (that of basic neuroscience, with their cellular, genetic and molecular approach) it is possible to observe the behavior of the individual elements, but little or nothing about their emerging properties. At the highest scale (that of the human disciplines: psychology and sociology, as well as of philosophy) it is possible to observe the global behavior of the system and the emerging properties, but it is not possible to explain how those properties emerge, and therefore to understand them. To understand them, we need to work on an intermediate scale, and simulate the behavior of neural aggregates. This is what connectionism does.
Connectionism is therefore the second conceptual reference point of this book, and simulation with neural networks is our main methodological tool.
Our third, indispensable conceptual reference point is evolutionism. The evolution of the species is a no longer a 'theory' but a 'fact', consolidated by ample evidence from fossils, observed mutations in species after controlled environmental changes, and observations from comparative anatomy and molecular biology. The current possibility of simulating Darwinian evolutionary processes on a computer provides experimental confirmation on the exceptional power of evolutionary mechanisms and at the same time provides solid evidence that neurological functions 'emerged' spontaneously, from the simplest such as sensorimotor reflexes to the more complex ones such as human cognitive processes.
To date, the search for higher mental functions has almost inevitably focused on human consciousness, for better or for worse, the only one considered worthy of the name. The results have been uncertain to say the least. On the contrary, this book begins by taking into consideration every mental function, memory, thought, reasoning and even consciousness, like all other bodily functions, as evolved to increase the probability for survival and reproduction, and therefore gradually distributed among the species. We felt it nonsense to ask ourselves: "what is consciousness?" without first asking: "what is its purpose?" and: "why and how did it evolve?"
This reasoning led us to a vision of the mind that we could define as 'ecological': trying to identify the environmental characteristics capable of inducing the appearance of a mind in evolving species.
Evolution simulation methodologies are also available today. These methodologies, usually called 'genetic algorithms' and 'artificial life', are easily adaptable to neural network connectionist models, with hybrid models that we could call 'artificial minds' or - hence the title of this book - 'artificial consciousness'. The fusion of evolutionary and connectionist methodologies also has the welcome side effect of minimizing the main weak point of the simulation methodology. In fact, the simulation method does not in itself guarantee the reliability of the results: think of how it is possible to simulate a geocentric universe without this proving its existence. This criticism, however, is valid for simulated models built 'on a table' in order to present the properties under study. In these cases, the preconceptions and prejudices of the researcher necessarily assume a preponderant role in determining the model. This criticism loses its validity when, as in this book, the investigated functions are not pre-packaged, but appear 'spontaneously' by evolution. Simulating in this way the emergence and evolution of sensorimotor and cognitive faculties, identifying and imposing only the environmental conditions in which a given faculty constitutes an adaptive factor, is completely different from inserting that faculty 'a priori' in simulated individuals. In the mentioned example of the geocentric universe, an equivalent method would consist of simulating the universe from the big bang and observing whether the universe that is formed is geocentric or not: a procedure that is not error-proof, but correct.
In conclusion, this is a connectionist, evolutionist and behaviorist book, that studies the most elusive and least definable property of the mind, consciousness, as an emerging property of the nervous systems produced by their evolution in the environment in which they are immersed. The 'phylogenetic' bottom-up approach used in our study differs distinctly from the 'molecular' bottom-up approach of basic neuroscience. Here we consider mind and consciousness as emerging adaptive properties of advanced nervous systems, resulting from the increase in their complexity and interaction with an equally complex environment because of evolutionary selection.
With this approach, our book, albeit reductively, answers the following questions:
1) what is consciousness;
2) what purpose does it serve and why does it exist;
3) how does it work;
4) what are its neuroanatomic correlates;
5) what are the current methods most suitable for these studies.
Far from stating that we have reached complete and irrefutable proof we do have the presumption to say that we have opened up a profitable pathway to approach these problems given the current state of knowledge.
The book is written for experts and non-experts with at least a scientific upper secondary education (preferably universities) and is intended for psychologists, neurologists, psychiatrists, neuroscientists, robotic engineers, philosophers, researchers, students and simply interested parties in the subjects of consciousness and others higher mental functions. It is divided into two parts, with the first part providing the cultural concepts and tools necessary to understand the second experimental section.
The first part succinctly describes the evolutionary, biological and neurophysiological scientific acquisitions that justify the connectionist and behaviorist approach and explains the computer technology used: artificial neural networks and genetic algorithms. We have done our best to simplify the concepts to make them accessible even to those without specific knowledge in the field. The chapters that may seem difficult at first reading are designed and inserted in such a way that their immediate understanding is not indispensable for an overall understanding of the book.
The second part describes and discusses experimental computer simulations on models of 'evolutionary artificial life', 'self-learning sensorimotor systems' and, finally, models of 'artificial minds' that possibly raise more questions than they answer, but we wish to share with those who wish to read this book up to the end.
The results we have achieved with our computer simulations seem encouraging. They confirm that evolutionary processes have considerable creative potential even if applied in a reductive way to artificial structures. These results lead us to reconsider Gould's opinion, widely shared by others, that the appearance of humans on our planet was a fortuitous and unrepeatable event. We now claim that if our planet started again from the beginning, in the same physico-chemical conditions, then conscious and intentionally operative life forms would inevitably evolve. Regardless of whether they have tentacles or hands.
Neri Accornero
Marco Capozza
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