Paradigmele psihologiei cognitiveCIUPAL (APOSTU) ADRIANA

ANUL III

ONETIRezumat: Teoriile computaionale, prin generalitatea lor aparin practic, tiinelor cognitive i sunt nucleul n jurul cruia se va realiza unificarea acestor tiinte.

Aadar, modul n care subiectul uman i reprezint mediul i cunotinele despre acesta, precum i procedurile de prelucrare ale acestor reprezentri pentru a permite rezolvarea de probleme i n final, adaptarea la mediu este piatra de ncercare a psihologiei cognitive.n funcie de tipul reprezentrilor i implicit, modalitaile de tratare a lor, putem pune n evidena dou paradigme: clasic-simbolic si neoconexionist. n mai mare sau mai mic msur, ele au penetrat n aproape toate tiinele cognitive, avnd aplicaii nu numai n psihologie ci i n inteligena artificial sau neurotiintele cognitive.Cuvinte cheie: paradigma, reea, output, input

1. Paradigma simbolic clasic sau paradigma procesrii informaieiParadigma simbolic clasic a orientat dezvoltarea psihologiei cognitive nc din primii ani ai afirmrii acestora, dominnd cu autoritate cercetrile din domeniu pn la nceputul deceniului nou. Ea are puternice rdcini filosofice att n raionalism ct i n empirismul englez, de aici atributul de clasic. Dup cum se cunoate, n logica simbolic, propoziiile sunt reprezentate prin variabile propoziionale sau funcii propoziionale. Operarea cu aceste simboluri se realizeaz pe baza unor reguli (de compunere, de deducie) care nu mai in seama de cunotinele sau propoziiile a cror simbolizare sunt.Implementate pe calculator, sistemele formal-logice au dus la demonstrarea unor teoreme prin mijloace strict mecanice.Calculatorul, luat ca model n nelegerea sistemului cognitiv uman a fost conceput ca un sistem simbolic, "operarea cu simboluri i structuri simbolice fiind mijloacele fundamentale prin care este nfptuit gndirea umana" nota Simon, unul dintre fondatorii tiinei cognitive.Teza principala paradigmei clasic-simbolice din psihologia cognitiv este aadar, urmtoarea:cunotinele i implicit strile de lucruri corespunztoare, sunt reprezentate n sistemul cognitiv prin simboluri sau structuri simbolice.Unsimboleste o reprezentare care denot obiecte sau stri de lucruri i se supune unor reguli de combinare (gramatica). Expresiile lingvistice, conceptele, judecile , imaginile, sunt reprezentri simbolice.Pentru a putea opera cu cunotine, calculatorul trebuie s recurg la codarea lor ntr-un limbaj de programare. Expresiile rezultate sunt reprezentri simbolice: ele denot cunotinte i stri de lucruri dar n acelai timp pot fi manipulate de un sistem fizic. Un fenomen similar are loc i n cazul subiectului uman. Pentru a putea opera cu cunotinele, creierul le codeaz n expresii simbolice. n general, un sistem fizic recurge la reprezentarea simbolic a cunotinelor pentru a putea opera asupra lor. Sistemul cognitiv uman ca i calculatorul, sunt sisteme fizico-simbolice. Sistemul cognitiv uman este un sistem fizic, pentru ca are o instaniere neurobiologica i este simbolic deoarece, pentru a putea opera cu cunotinte i le reprezint sub forma unor expresii simbolice, pe care le manipuleaz dup anumite reguli.Ex: cunotinele pe care le are despre un anumit obiect i le reprezint lingvistic, iar expresiile lingvistice sunt manipulate pe baza unor reguli sintactice, semantice sau pragmatice.Ca orice paradigma,paradigma procesrii informaieiare la baza cteva asumpii (axiome) principale: oamenii sunt vzui ca fiine autonome i intenionale ce interacioneaz cu lumea extern; "mintea" prin care oamenii interacioneaza cu mediul este un sistem ce proceseaz simboluri(de aici i denumirea de paradigma simbolic),reprezentri, deci este un sistem cognitiv; simbolurile sunt manipulate i transformate de sistemul cognitiv, astfel ca ele sunt n corelaie cu evenimentele din lumea extern; scopul cercetrii psihologice este tocmai de a specifica care sunt procesele i reprezentrile ce stau la baza sarcinilor efectuate de sistemul cognitiv; procesele cognitive se desfoar n timp, au o durat, deci putem s le identificm, s le studiem folosind timpul de reacie ca variabil dependent; creierul uman are o capacitate de procesare limitat, att din punctul de vedere al resurselor, ct i al structurii;Dup cum se observ din asumpiile de mai sus, una dintre caracteristicile de baz ale paradigmei procesrii informaiei este faptul c aceste procesri au loc n etape, stadii, deci este vorba de fapt despre o procesare serial a informaiei. Aceasta nseamn c procesele au loc ntr-o anumit ordine, c ele nu sunt concomitente, nu se suprapun i c pentru a avea loc un proces, este necesar ca alte procese anterioare s fi avut loc.2. Paradigma neoconexionistParadigma neoconexionist, cunoscut i sub denumirea de paradigma procesrilor paralele distribuite sau modelare neuronal i-a manifestat prezena ncepnd cu ultimii zece ani i pornete de la ideea c activitatea cognitiv poate fi explicat pe baza unor modele neuronale, care s simuleze, s imite conexiunile existente n creier ntre neuroni. ntruct aceste reele neuronale nu redau funcionarea reala neuronal, ci funcionarea cognitiv, ele se mai numesc i reeleneuromimetice. Altfel spus, o reea neuromimetica poate realiza calcule logice. Axioma de baz a acestei abordri este aceea c informaia nu e reprezentat de simboluri(ca n paradigma clasic),ci sub forma unor valori i pattern-uri de activare care circul ntre diverse uniti din reea.Primele cercetri din acest domeniu au fost fcute utiliznd neuroni simplificai i algebra Booleana(modelarea avea loc pe calculator),care aveau drept sarcin discriminarea ntre dou impulsuri senzoriale diferite. Aceste modele neuronale purtau numele deperceptron.Ulterior, psihologii au dezvoltat aceste reele ajungnd ca acestea s obin performane remarcabile i principiul lor de funcionare s stea la baza construirii detectoarelor de inte din domeniul militar.Reelele neuromimetice sunt semantic-opace, adic prin ele nu circul informaii, simboluri, ci doar valori de activare(cum ar fi impulsurile nervoase prin neuroni).Semnificaia acestor valori este acordat extern, de ctre cel ce construiete reeaua. De fapt, aceasta este i una dintre problemele nc nerezolvate de abordarea neoconexionist, i anume: cum emerg structurile simbolice de cele subsimbolice.3. Reele neuromimeticeTeoria neoconexionismului se concentreaz asupra modelrii procesrii informaiei la nivel reprezentaional-algoritmic prin reele neuromimetice i susine c informaia este reprezentat de sistemul cognitiv uman prin valori i pattern-uri de activare ale unor uniti simple, neuromimi. Aceste reele, inspirate de funcionarea sistemului nervos, poart numele de reele neuromimetice sau reele neuronale, iar informaia circul ntre unitile de procesare nu sub forma unor mesaje, ci a unor valori de activare sub form de scalari, nu de simboluri.Un model neuronal(o reea neuronal)este descris de urmtoarele componente:1) unitai neuronale;2) stare de activare;3) reguli de activare;4) funcie output;5) pattern(un mod anume)de conexiuni ntre uniti;6) reguli de nvare;7) un mediu n care se gsete, opereaz reeaua respectiv.1.Unitilereelei numite uneori uniti cognitive, neuromimi, neuroni formali sau noduli, preiau cteva dintre proprietile neuronilor reali, n principal valoarea de activare i ideea gruprii ntr o reea de conexiuni (sinapse).Singura caracteristic a unei uniti const n valoarea ei de activare, notat, de regul ntr-o cifr cuprins n intervalul +1,-1.(Toate elementele fizice de intrare i ieire- ochi, urechi)Dac unitile au funcia de a recepta input-ul, convertindu-l ntr-o valoare de activare, ele poart numele deuniti input.Unitile care transmit output-ul n mediul reelei se numescuniti output. Ambele pot fi accesate direct din mediul reelei, de aceea se numescuniti vizibile. Dac ntre unitile input i unitile output se interpun alte uniti, ele nu pot fi accesate direct din mediu, ci doar prin intermediul unitilor vizibile, de aceea se numescuniti ascunse.(Din momentul n care intr o informaie i pn cnd aceasta ajunge la creier).Reelele care conin doar uniti vizibile se numescreele binivelare(perceptonul este o reea binivelara). Dac reeaua conine i uniti ascunse, atunci este multinivelar. Neuromimiinu sunt inpenetrabili semantic,adic nu simbolizeaz stri de lucruri cunoscute, ceea ce face ca reelele conexioniste s fiesemantic opace, spre deosebirede modelele simbolice care suntsemantic transparente.Aceast interpretare este exterioar, nu este inerent reelei respective, reeaua nu manipuleaz simboluri, ci valori de activare.Dac totui aceast atribuire de semnificaii are loc, atunci reelele se mpart n dou mari categorii:- reele locaioniste, se consider c fiecare unitate reprezint un concept sau o anumit ipotez;- reele distributive, n cazul crora informaia nu este localizat la nivelul unitilor, ci este distribuit pe interaciunile dintre uniti.Prin urmare, un anumit concept sau propoziie nu este reprezentat de o singura unitate, ci de pattern-ul (modelul) de conexiuni dintre unitile de reele.2.Strile de activare. Orice unitate are o valoare sau o stare de activare la un moment dat care indic nivelul su de activitate. Ele pot varia continuu sau discontinuu, n funcie de interesele celui care exploreaz reeaua. Intervalul de variaie este stabilit de regula ntre -1, +1, dar se poate alege orice alt interval. Dat fiind faptul ca unitile sunt practic niste valori de activare, o reea conexionist apare ca o matrice de valori de activare.Orice unitate cognitiv areun rest de activare, rezultat al stimulrilor ei trecute. Valoarea de activare se deterioreaz odat cu trecerea timpului sau cu modificarea conexiunilor - aa cum la un neuron real rata sa de descrcare descrete n functie de timp sau prin inhibiie lateral. Rata descreterii strii de activare se numeterata degradrii.3.Regula de activareeste o funcie ce stabilete modul n care se modific valoarea de activare a unitilor dintr-o reea. Modificarea strilor de activare se stabilete pe baza calculului netinput-ului (suma input-urilor recepionate de o anumit unitate). Aceste input-uri sunt ponderate cu tria legturilor dintre unitile input i unitatea receptoare. Un fenomen analog are loc i n reelele neuronale reale: valoarea de activare a unui anumit neuron se modific nsumnd potenialele de activare de la toi neuronii cu care se afl n contact, ponderndu-le n funcie de tria sinapsei pe care o are cu fiecare dintre acetia. Modificarea valorii de activare se realizeaz adaugnd netinput-ul la restul de activare. Funcia de activare are urmtoarea form iniiala: valori mai mici ale netinput-ului produc modificri semnificative ale strii de activare ale unitii, dup un anumit prag creterea netinput-ului neafectnd semnificativ valoarea de activare4.Funcia outputstabilete relaia dintre valoarea de activare a unei uniti i output-ul pe care l transmite spre alte uniti din reea. Valoarea output este identic cu valoarea strii de activare. Ca soluie alternativ se poate stabili un prag al strii de activare sub care valoarea output-ului este zero, iar deasupra cruia valoarea output-ului este egal cu starea de activare.5.Conexiunile.Nodurile reelei sunt legate ntre ele prin conexiuni. Dac conexiunile sunt orientate ntr-o singur direcie, adic activarea se propag numai de la unitile input spre unitile output, atunci avem de-a face cu oreea unidimensional. Dac conexiunile sunt reciproce, atunci se stabilete ponderea pentru fiecare dintre ele. n cazul n care interaciunile sunt reciproce sau bidimensionale, avem de-a face cu o reea interactiv. Att n cazul reelelor unidirecionale ct i n cazul celor interactive, conexiunile pot fi excitative sau inhibitive. Conexiunile excitative au o pondere pozitiv, iar conexiunile inhibitive au o pondere negativ.n cazul sistemului nervos, n multe reelele conexioniste unitile de la acelai nivel funcioneaz pe baza inhibiiei laterale: dac una dintre uniti este excitat (are valoare de activare pozitiv), ea nhib (reduce starea de activare) a unitilor de la acelai nivel (nvarea competitiv). Conexiunile sunt elementul cel mai important al modelelor neuromimetice. nvarea const tocmai n modificarea triei sau importanei conexiunii.6.Reguli de nvare. Modificarea triei conexiunilor se face pe baza unor reguli de nvare. Acestea sunt de fapt nite algoritmi sau ecuaii care guverneaz modularea ponderii conexiunilor ntr-o reea. Principalele reguli de nvare cu care se opereaz n prezent sunt: regula lui Hebb, regula delta i regula propagrii erorii.Regula lui Hebbstipuleaz c ponderea conexiunii dintre dou uniti se modific n funcie de produsul valorilor lor de activare. Aceast regul modeleaz rezultatele experimentale obinute de D. Hebb conform crora tria sinapsei dintre doi neuroni crete dac, n momentul stimulrii, se afl n aceeai stare de activare (ambii excitai sau ambii inhibai) i scade dac ei se afl n stari de activare diametral opuse. Corespunztor, ponderea conexiunii crete dac unitile au o stare de activare de acelai semn, i scade n caz contrar. Proporia cu care se modific tria conexiunii este modulat i de o rat de modificare a interaciunilor stabilit de creatorul reelei respective. Aceasta poart numele derat a nvrii.Regula deltautilizeaz discrepana dintre output-ul dezirabil i output-ul actual. Modificarea ponderii conexiunii dintre dou uniti se realizeaz pe baza unei formule care stabilete coeficientul de eroare. Aadar regula delta, ajusteaz tria conexiunilor pe baza calcului erorii. Regula retropropagrii erorii sau delta generalizat, reprezint o extindere a regulii delta la reelele multinivelare. Eroarea se propag invers, de la nivelul unitilor ouput spre cele ascunse i spre cele input. Conexiunile se modific n funcie de ponderea pe care o au la comiterea erorii.Toate aceste reguli de nvare au ca scop optimizarea performanelor reelei la sarcinile cognitive cu care ea este confruntat.O etapa n care, pe baza regulilor de nvare se schimb toate conexiunile dintr-o reea se numesteepoc. De regul, n faza de nvare reeaua are nevoie de mai multe epoci pentru a oferi soluia dezirabil.Dup faza de nvare sauantrenament, reeaua intr nfaza de testare, n care se evalueaz performanele sale pentru o categorie similar de stimuli dect cei care au fost utilizai n faza de antrenament.Mediul sau ambiana reelei.Orice reea conexionist ca de fapt orice reea neuronal se afl n legtur cu alte reele care formeaz mediul sau ambiana sa. Influena mediului apare n modelele conexioniste sub forma unorbai, adic a unor input-uri cu valori fixe, independente de dinamica activrilor din cadrul reelei. Adesea baii sporesc performanele reelei.BIBLIOGRAFIE

1. Brown, Carol (2007), Cognitive Psychology, Sage Publications, London2. Miclea, M. (1998), Psihologie cognitiv, Polirom, Iai1