Canvas A:\minispir.GIF Canvas A:\minispir.GIF Nelineární neurodynamika a její perspektivy Nereduktivní fyzikalismus a sémiotika v díle W. Freemana A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Nelineární neurodynamika •nelineární dynamika •předpoklady aplikace v neurovědách •přehled vývoje •neurodynamika v akci • • • http://www.youtube.com/watch?v=-pSPnAmO0pY&feature=related A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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. • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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) • xn+1=rxn(1-xn) •hodnota parametru r závisí na „vahách propojení“ neuronů A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Logistická rovnice chaotického oscilátoru •xn je frekvence pálení na vstupu, •xn+1 je frekvence pálení na výstupu, •r je řídící parametr – „váhy propojení“ • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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.) • • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF EEG Attractor for Olfactory Bulb of Rat in Seizure Aktivita sítě neuronů v čichovém systému mozku krysy – fáze epileptického záchvatu An EEG trace from the olfactory system of the brain of a rat, during an epileptic seizure. The trajectory of a point moving through this space in time traces the subspace that is occupied by a strange attractor. We have colored it red when the fourth variable is negative and blue-white when it is positive. The Hausdorff dimension is reduced to 2.52, and the structure of the strange attractor appears to be that of a 2-torus. A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF EEG Attractor for Olfactory Bulb of Resting Rat Aktivita sítě neuronů v čichovém systému mozku krysy – fáze klidu "2D slice of 3D representation of 4-second epoch of EEG from the olfactory system of the brain of a rat, awake but resting motionless. The trajectory of a point moving through this space in time traces the subspace that is occupied by a strange attractor. We have colored it red when the fourth variable is negative and blue-white when it is positive. The Hausdorff dimension is 5.92 and we are unable to find geometric order." A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Neurodynamika v akci (III) •Např.: pohyby očí, spánek (a sny) 1.bdění: •otevřené oči – aperiodická aktivita •zavřené oči – periodická aktivita 2.spánek •nREM – periodická aktivita •REM – aperiodická aktivita A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF eeg-traces Čtyři typy stavů identifikovaných při EEG analýze v čichovém systému mozku krysy a při EEG analýze mozku při přechodu ze spánku do bdělého stavu. Nápadné střídání periodické a aperiodické aktivity. Zdola: (1) hluboká anestézie – bodový atraktor, (2) probouzení – aperiodická aktivita, (3) vdechování – limitní cyklus a motivace – podivný atraktor, (4) záchvat (epileptický) – limitní cyklus. Four classes of states are identified for the olfactory system from EEG traces. (1) Fluctuations are suppressed under deep anesthesia. (2) In waking but unmotivated animals the amplitude is low and the trace is irregular and unpredictable. (3) Under motivation the irregular activity is interrupted by brief oscillatory bursts following activation of the OB by receptors on inhalation. (4) Under several seconds of intense electrical stimulation of the LOT an epileptic seizure is released. It is intiated after the failure of excitatory input transmission as shown by the decreasing responses at left to the last 5 pulses of the stimulus train. The seizure spike train then progressively emerges from a relatively quiet post-stimulus state. A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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. Phase Portrait with Bifurcation Diagram A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF •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 (IV) A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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. Oscillation between inhalation and exhalation attractors. A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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) • http://www.scholarpedia.org/wiki/images/thumb/e/e5/Walter_J_Freeman_Photo.jpg/200px-Walter_J_Freema n_Photo.jpg A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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/ http://sulcus.berkeley.edu/FreemanWWW/Books/HB/HowBrains2.jpg A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Freemanova neurodynamika a)neurodynamika a nereduktivní fyzikalismus b)neurodynamika a sémiotika A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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) • • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Druhy kauzality podle Freemana 1.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 A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Úrovně uplatnění cirkulární kauzality •Freeman odhaluje dvojí úroveň uplatnění cirkulární kauzality v limbickém systému mozků: 1.makroúroveň – senzorický systém je předpřipraven pro přijímání a zpracování vhodných stimulů 2.mikroúroveň – dochází k samoorganizaci neuronové sítě • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Architektura limbického systému podle Freemana A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Hlavní otázky neurodynamiky •hlavní otázky: 1.Jaká je povaha vzorce neuronové aktivity a jaký je jeho vztah ke stimulům? 2.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 A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Stimul jako zdroj fluktuací (I) •stimul slouží jako zdroj fluktuací, které: 1.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 • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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) A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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) A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Reprezentace versus významy (I) •základním východiskem je odmítnutí reprezentacionalismu (viz i Davidson) a odlišení externí reprezentace (externaly representation) a významu (meaning): 1.(externí) reprezentace – nástroje komunikace – sochy, obrazy, knihy, slova (akustické vlnění) 2.významy – nejsou reprezentací stimulu – jsou to: vzorce mozkové aktivity, umístěné do intencionální struktury mozku A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Komunikace mezi dvěma mozky 1.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) 2.v následném kroku už mají oba mozky proměněné významy (a´), (b´) 3.komunikace probíhá dokud nedojde k harmonizaci významů, doprovázené kooperativním chováním (tanec, třesení rukou, ad.) A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 • • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Závěr a)výdobytky b)perspektivy c)vize A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF Perspektivy 1.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 • A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF 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 A:\minispir.GIF A:\minispir.GIF •„Člověk má konečnou paměť a důsledkem toho je vědomí. Aby ale člověk mohl vědomí vytvořit (okopírovat) musel by disponovat nekonečnou pamětí.“ http://www.youtube.com/watch?v=ZOr81_2kK8M&feature=related