Nelineární neurodynamika a její perspektivy Nereduktivní fyzikalismus a sémiotika v díle W. Freemana Nelineární neurodynamika • nelineární dynamika • předpoklady aplikace v neurovědách • přehled vývoje • neurodynamika v akci Předpoklady aplikace v neurovědách • biologická neuronová síť splňuje všechny podmínky pro samoorganizaci: mozek je otevřený systém tvořený dostatečným množstvím vzájemně zpětnovazebně propojených neuronů extrémně citlivých na fluktuace hodnoty signálu, který vykazuje intencionální chování v situacích, kdy je mozková aktivita výrazně nerovnovážná • předpoklad kontinuálnosti kognitivních aparátů živočichů (evoluční perspektiva), nelineárně dynamické jevy zkoumány především v mozcích živočichů • limitace složitostí neuronové sítě, nelineárně dynamické jevy prokázány v jednoduchých strukturách lidských mozků (s nízkou úrovní konektivity) • předpoklad platnosti nelineární dynamiky ve složitějších sítích, není k dispozici odpovídající matematika Přehled vývoje • 1929 – Rafael Lorente de Nó předpoklad neuronové zpětné vazby • 1936 – Alan M. Turing „On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungsproblem“ • 1949 – Donald Hebb, Warren McCulloch „Organization of Behavior“ – neuronové sítě, pravidla • 1958 – John von Neumann – digitální počítač • 1963 – Edward Lorenz – první reflexe projevů nelineární dynamiky – meteorologie • 1968 – Ilya Prigogine – disipativní struktury • 1975 – Benoit Mandelbrot „Fraktální geometrie přírody“ • 1982 – John Hopfield – neuronové sítě • 1985 – Glass, Rapp – kardiologie, buněčný metabolismus • 1985 – Rapp, Babloyantz – aktivita neuronů, EEG analýza • 1987 – Skarda, Freeman „How Brains Make Chaos in Order to Make Sense of the World“ • 1988 – Huberman, Gregson – psychofyziologie, pohyby oka • 1990 – založena Freemanova neurofyziologická laboratoř při Univerzitě v Berkeley • 90. léta – vrchol „freemanovské neurodynamiky“ – syntetické období – vznik stěžejních prací „How Brains Make up their Minds“, „Neurodynamics“ • 20./21. stol. – přesun těžiště neurodynamiky do Japonska – Tsuda, Chang, Shimoide, aj. Neurodynamika v akci (I) • fraktální komprimace instrukcí pro výstavbu biologických struktur • neuronová síť, typy propojení neuronů – i v nejjednodušším typu – chaotický oscilátor [ ] • popis chování chaotického oscilátoru podává logistická rovnice (Hodgkinova) x[n+1]=rx[n](1-x[n]) • hodnota parametru r závisí na „vahách propojení“ neuronů Logistická rovnice chaotického oscilátoru[] • x[n][ ]je frekvence pálení na vstupu, • x[n+1][ ] je frekvence pálení na výstupu, • r je řídící parametr – „váhy propojení“ Neurodynamika v akci (II) • pro různé hodnoty r vznikají různé vzorce aktivity neuronových sítí, jimž odpovídají příslušné atraktory – typické je střídání periodické (různé formy limitního cyklu) a aperiodické (podivný atraktor) – deterministicky chaotické aktivity • prokázáno v EEG (plži, krysy, králíci, lidé) testováno v jednoduchých strukturách mozku (čichový, zrakový, sluchový systém aj.) Neurodynamika v akci (III) Např.: pohyby očí, spánek (a sny) • bdění: • otevřené oči – aperiodická aktivita • zavřené oči – periodická aktivita • spánek • nREM – periodická aktivita • REM – aperiodická aktivita Znázornění stavů čichového systému mozku krysy a při EEG analýze mozku při přechodu ze spánku do bdělého stavu v bifurkačním diagramu. Nápadné střídání periodické a aperiodické aktivity. Neurodynamika v akci (IV) Např.: patologické projevy mozkové aktivity souvisejí s regulací parametru r • pokud je znemožňována přiměřená inhibice propojení neuronů, nastává fáze periodické aktivity (limitní cyklus) typická pro epilepsii • pokud je znemožněna přiměřená aktivace propojení neuronů, nastává fáze stochasticky chaotické aktivity (bodový atraktor), typická pro např. Parkinsonovu chorobu Neurodynamika v akci (V) • přechod z aperiodické do periodické aktivity je pro neuronovou síť klíčový – hranice komplexity • periodická aktivita odpovídá „odpočívání neuronů“, zatímco aperiodická aktivita je spojena s intenzivním „ukládáním informací“ při intencionálním chování a jednání. Neurodynamika v akci (VI) Role chaotické aktivity v neuronových sítích podle Chrise Kinga – Fractal and Chaotic Dynamics in Nervous Systems (1991): • CAM (chaotic access memory) –rychlý přístup k paměti a vytváření paměťových stop • „reprezentace“ symbolů prostřednictvím atraktorů • vytváření samoorganizovaných stabilních struktur • komprese dat uložených do neuronové sítě • nepredikovatelnost jako báze pro vysvětlení vědomí a svobodné vůle Walter J. Freeman (I) • (*1927) americký neurolog, matematik a filosof • vystudoval elektrotechniku, matematiku a fyziku (MIT), filosofii (Chicago), medicínu (Yale), interní medicínu u Johna Hopkinse a neuropsychiatrii na UCLA • v současné době je profesorem neurověd na Univerzitě v Berkeley, kde • řídí neurofyziologickou laboratoř (spolupracovníky Kozma a Lenhart), zabývá se analýzou EEG senzorických systémů mozku a konstrukcí artificiálních smyslových orgánů (KV) Walter J. Freeman (II) • Mass action in the nervous system (1975) • Societies of brains (1995) • How brains make up their minds (1999) • Reclaiming cognition (2000) • Neurodynamics(2000) http://sulcus.berkeley.edu/ Proč Freeman? (I) • nelineární neurodynamika je rozpracovávána i u jiných autorů (Edelman a Tononi), ale Freeman provádí její filosofickou reflexi • zkoumá důsledky nelineární neurodynamiky pro chápání klíčových filosofických pojmů (kauzalita, intencionalita, ad.) • své filosofické úvahy odvozuje především z tvarové psychologie, existencialismu a pragmatismu (W.James) • všímá si vývoje pojmu mentální reprezentace a provádí rozbor všech zásadních metafor (především z oblasti přírodních věd), které byly použity pro popis mysli Proč Freeman? (II) • domýšlí filosofické koncepty druhé poloviny 20. století (Putnam, Davidson • lze jej považovat za pokračovatele postanalytické filosofie v linii Wittgenstein II. – Davidson – Freeman • některé teoretické předpoklady Davidsonova pojetí subjektivity nahrazuje empirickou evidencí, přepracovává Davidsonovy koncepce filosofie mysli • nabízí alternativní řešení mind – body problému (ani funkcionalismy, ani „dualismy“, ale aktivní role vědomí) • zvědečtění nereduktivního fyzikalismu (např. anomální monismus) • vytváří koncepci neurosémiotiky Freemanova neurodynamika • neurodynamika a nereduktivní fyzikalismus • neurodynamika a sémiotika Neurodynamika a nereduktivní fyzikalismus (I) Klíčové články: • Nonlinear Neurodynamics of Intentionality (1997) • Three Centuries of Category Errors in Studies of the Neural Basis of Consciousness and Intentionality (1997) • Consciousness, Intentionality and Causality (1999) • Bridging the Gaps between Neuron, Brain and Behavior with Neurodynamics (2001) Neurodynamika a nereduktivní fyzikalismus (II) • nalezení „mostu“ (odstranění explanační propasti) mezi popisem neuronů – mozku – chování, při zachování intencionality vyžaduje dle Freemana přehodnocení našeho pojetí kauzality • jde o střet lineární a cirkulární kauzality Druhy kauzality podle Freemana • lineární kauzalita • předpoklad přísného oddělení působící (příčina) a působené (účinek) události • předpoklad oddělených úrovní skutečnosti, mezi nimiž existuje pouze jednosměrné kauzální působení (od jednodušších ke složitějším) • v oblasti neurověd je spjata s představou zpracovávání (ukládání) informací v mozku skrze information processing – binárně kódovaná data jsou ukládána v paměti mozku 2. cirkulární (nelineární) kauzalita • působící a působené události nelze oddělit, vyšší úroveň sestupně („downwardly“) působí na bázovou úroveň, mezi „úrovněmi“ existuje vzájemné kauzální působení • v oblasti neurověd je spjata s představou „ukládání“ informací v neuronové síti při procesu učení Úrovně uplatnění cirkulární kauzality • Freeman odhaluje dvojí úroveň uplatnění cirkulární kauzality v limbickém systému mozků: • makroúroveň – senzorický systém je předpřipraven pro přijímání a zpracování vhodných stimulů • mikroúroveň – dochází k samoorganizaci neuronové sítě Hlavní otázky neurodynamiky • hlavní otázky: • Jaká je povaha vzorce neuronové aktivity a jaký je jeho vztah ke stimulům? • Jakou roli hrají fluktuace a jaký mají vztah ke střídání periodické a aperiodické mozkové aktivity? ad 1. vzorec neuronové aktivity není kopií stimulu, je výsledkem samoorganizačního procesu v neuronové síti, jehož je stimul „pouze“ iniciátorem Stimul jako zdroj fluktuací (I) • stimul slouží jako zdroj fluktuací, které: • způsobují ve vhodně nastavené síti bifurkaci a vznik složitějších atraktorů, což se projevuje střídáním periodické a aperiodické aktivity (neznámý stimul – aperiodicita – vytvoření nového atraktoru (návrat do periodicity) – …) • stimul slouží jako zdroj fluktuací, které: 2. způsobují variaci atraktorů v atraktorové krajině, neboť žádné dva stimuly nejsou nikdy stejné, každý pohyb atraktorem je vždy nový Stimul jako zdroj fluktuací (II) • stimul iniciuje aktivitu, ale zároveň je modifikován již existujícím atraktorem • důvodem pro takovýto způsob interakce mozku s prostředím je omezená paměťová kapacita mozku konfrontovaná s nekonečnou složitostí světa Aktivní role vědomí • Freeman extrapoluje svou neurodynamiku na řešení problému vědomí • vědomí pojímá jako globální operátor (hemisférický atraktor) – ve vztahu k „jednotlivým“ paměťovým „stopám“ zaujímá stejnou pozici, jako atraktor k „jednotlivým“ stimulům • aktivní působení vědomí na paměťové „náčrty“ • jedná se zatím o experimentálně nepotvrzené spekulace (problém obtížné tvorby matematických modelů) Neurodynamika a sémiotika (I) Klíčové články: • Chaotic Oscillations and the Genesis of Meaning in Cerebral Cortex (1994) • A Neurobiological Interpretation of Semiotic: Meaning, Representation, and Information (2000) Reprezentace versus významy (I) • základním východiskem je odmítnutí reprezentacionalismu (viz i Davidson) a odlišení externí reprezentace (externaly representation) a významu (meaning): • (externí) reprezentace – nástroje komunikace – sochy, obrazy, knihy, slova (akustické vlnění) • významy – nejsou reprezentací stimulu – jsou to: vzorce mozkové aktivity, umístěné do intencionální struktury mozku Komunikace mezi dvěma mozky • mozek (A) má v sobě implementován význam (a), který není žádnou interní reprezentací, která by mohla být sdílena i mozkem (B), proto vytváří externí reprezentaci (a), kterou je konfrontován mozek (B) s implementovaným významem (b) a ten reaguje vytvořením externí reprezentace (b) • v následném kroku už mají oba mozky proměněné významy (a´), (b´) • komunikace probíhá dokud nedojde k harmonizaci významů, doprovázené kooperativním chováním (tanec, třesení rukou, ad.) Reprezentace versus významy (II) • (externí) reprezentace – slouží ke komunikaci (harmonizaci vzorců) a zároveň umožňuje uchopování vlastního významu subjektem • význam – proměnlivý vzorec aktivity, děje se kontinuální konstrukcí skrze stimul v kooperaci s atraktorem Definice sémiotiky podle Freemana • kontinuální (celoživotní) konstruování hypotéz (důvodem je omezená paměťová kapacita mozku), které jsou konfrontovány světem a tím neustále proměňovány, pod dozorem globálního operátoru – vědomí Vztah k Davidsonovi a jeho překračování • Davidsonova „vrozenost citu pro podobnost“ („vrozené (geneticky dané) podobnostní reakce dítěte a učitele“) nahrazena u Freemana vysvětlením mechanismu tvorby významu v učící se neuronové síti • intuitivní nahlížení svých významů subjektem (zbytečnost definice významů používaných slov -Davidsonova verze zachování 1. osoby) nahrazena u Freemana představou, že své významy nahlížíme skrze své externí reprezentace • anomální monismus překonán, „přemostěním“ propasti mezi fyzickým a mentálním skrze nelineární neurodynamiku, dynamickým monismem Závěr • výdobytky • perspektivy • vize Výdobytky • information processing nahrazen konstruováním významu samoorganizací neuronové sítě • „přemostění“ propasti mezi fyzickým a mentálním • zvědečtění nereduktivního fyzikalismu (možnost vyhnout se Kimovým argumentům) • další tematizace konceptu nelineární kauzality • vytváření koncepcí neurosémiotiky Perspektivy • praktické: • konstrukce artificiálních smyslových orgánů • léčba mozkových poruch • neuroetika • při dalším rozvoji matematiky a neurologie (snad) aplikace na zkoumání struktur v neokortexu (Tsuda ad.) 2. filosofické • rozvoj filosofie mysli v linii Wittgenstein II. – Davidson – Freeman • aktivní role vědomí v linii pragmatismus – existencialismus – Freeman • báze pro konvergenci výzkumů mysli Vize • řešení problému neuronálního kódu • prostředek pro modelování vzniku a vývoje jazyka (modelování dění významu) • možnost internalizace jazyka – soukromý jazyk není na začátku, ale na konci – v průběhu života zvnitřňujeme své významy – příspěvek k řešení sporu: „subjekt jazyka“ versus „produkt řečové komunikace“ • v mozku se protínají ontologický a epistemologický rozměr deterministického chaosu: „V mozku probíhá d. ch. aktivita a my (díky tomu?) víme, jak d. ch. jevy principiálně fungují.“ Co to znamená? • konečná a nekonečná paměť, důsledky pro vědomí a UI „Člověk má konečnou paměť a důsledkem toho je vědomí. Aby ale člověk mohl vědomí vytvořit (okopírovat) musel by disponovat nekonečnou pamětí.“