Renderování lidského mozku na základě dat MRI
Kognitivní věda je obvykle definována jako vědecké studium mysli nebo inteligence (např. Luger 1994). Prakticky každý úvod do kognitivní vědy také zdůrazňuje, že je vysoce interdisciplinární; primární složky kognitivní vědy zahrnují kognitivní psychologii, kognitivní neurovědu, lingvistiku, filozofii a informatiku, zatímco další složky zahrnují robotiku, antropologii a biologii.
Opírá se o různou vědeckou metodologii (např. behaviorální experimenty, výpočetní simulace, neurozobrazování, statistické analýzy) a zahrnuje mnoho úrovní analýzy mysli (od nízkoúrovňového učení a rozhodovacích mechanismů až po logiku a plánování na vysoké úrovni, od nervových obvodů až po modulární organizaci mozku atd.). Termín kognitivní věda zavedl Christopher Longuet-Higgins ve svém komentáři k Lighthillově zprávě z roku 1973, který se týkal tehdejšího stavu výzkumu umělé inteligence. Ve stejném desetiletí byl založen časopis Cognitive Science a společnost kognitivní vědy. Kognitivní věda se liší od kognitivní psychologie v tom, že algoritmy, které mají simulovat lidské chování, jsou implementovány nebo implementovatelné v počítači.
Moderní kulturu kognitivní vědy lze vysledovat až k raným kybernetikům ve třicátých a čtyřicátých letech, jako byli Warren McCulloch a Walter Pitts, kteří se snažili pochopit organizační principy mysli . McCulloch a Pitts v podstatě vynalezli neuronovou síť, ale neměli výpočetní nástroje, aby ji rozvinuli do moderní podoby.
Dalším předchůdcem byl raný vývoj teorie výpočetní techniky a digitálního počítače ve 40. a 50. letech. Alan Turing a John von Neumann byli v tomto vývoji nápomocni. Moderní počítač, nebo Von Neumannův stroj, by hrál ústřední roli v kognitivní vědě, jak jako metafora pro mysl, tak jako nástroj pro zkoumání.
V roce 1959 publikoval Noam Chomsky sžíravou recenzi knihy B. F. Skinnera Verbal Behavior (Slovní chování). V té době dominovalo psychologii Skinnerovo behavioristické paradigma: Většina psychologů se zaměřovala na funkční vztahy mezi podnětem a odezvou, aniž by kladla vnitřní reprezentace. Chomského práce ukázala, že k vysvětlení jazyka potřebujeme teorii, jako je jeho generativní gramatika, která nejen přiřazuje vnitřní reprezentace, ale charakterizuje jejich základní řád. Tato nesmírně úspěšná teorie by inspirovala mnohem pozdější kognitivní vědu.
V 70. a počátkem 80. let se mnoho kognitivních vědeckých výzkumů zaměřovalo na možnost umělé inteligence. Výzkumníci jako Marvin Minsky psali počítačové programy v jazycích jako LISP, aby se pokusili formálně charakterizovat kroky, kterými lidské bytosti procházely, například při rozhodování a řešení problémů, v naději na lepší pochopení lidského myšlení a také v naději na vytvoření umělých myslí. Tento přístup je znám jako „symbolická AI“.
Nakonec vyšly najevo hranice výzkumného programu symbolické umělé inteligence. Například se zdálo nereálné komplexně vyjmenovávat lidské poznání v podobě využitelné symbolickým počítačovým programem. Koncem 80. a 90. let byl zaznamenán vzestup neuronových sítí a konektonismu jako výzkumného paradigmatu.
Podle tohoto úhlu pohledu, často připisovaného Jamesi McClellandovi a Davidu Rumelhartovi, by se mysl dala charakterizovat jako soubor komplexních asociací, reprezentovaných jako vrstvená síť. Kritici tvrdí, že existují jevy, které jsou lépe zachyceny symbolickými modely, a že konektionistické modely jsou často tak složité, že mají malou vypovídací schopnost. Ale flexibilita a biologická hodnověrnost těchto modelů je činila velmi úspěšnými.
Dnes existuje pluralita přístupů, od konektonismu, přes zaměření na modely dynamických systémů, až po pokusy znovu zavést symbolické modely pomocí nástrojů moderní informatiky, jako je strojové učení.
Ústředním principem kognitivní vědy je, že úplného pochopení mysli/mozku nelze dosáhnout studiem pouze jedné úrovně. Vezměme si například problém zapamatování si telefonního čísla a jeho pozdějšího vyvolání. Jak tento proces probíhá? Jedním z přístupů by bylo studium chování prostřednictvím přímého pozorování. Osobě by mohlo být předloženo telefonní číslo, požádáno o jeho vyvolání po určitém zpoždění. Pak by mohla být změřena přesnost odezvy. Jiným přístupem by bylo studium palby jednotlivých neuronů, zatímco se osoba snaží zapamatovat si telefonní číslo. Ani jeden z těchto experimentů sám o sobě by plně nevysvětlil, jak proces zapamatování si telefonního čísla funguje. I kdyby byla k dispozici technologie mapování každého neuronu v mozku v reálném čase a bylo by známo, kdy který neuron vysílá, stále by bylo nemožné zjistit, jak se konkrétní palba neuronů promítá do pozorovaného chování. Je tedy potřeba porozumět tomu, jak spolu tyto dvě úrovně souvisí. To lze zajistit popisem procesu na funkční úrovni. Studium konkrétního jevu z více úrovní vytváří lepší pochopení procesů, které se v mozku vyskytují a vedou ke konkrétnímu chování.
Marr podal slavný popis tří úrovní analýzy:
Kognitivní věda je interdisciplinární obor s přispěvateli z různých oborů, včetně psychologie, neurovědy, lingvistiky, filozofie mysli, počítačové vědy, antropologie, sociologie a biologie. Kognitivní věda má tendenci nahlížet na svět mimo mysl podobně jako jiné vědy. I ona má tedy objektivní, na pozorovateli nezávislou existenci. Obor je obvykle považován za kompatibilní s fyzikálními vědami a používá vědeckou metodu, stejně jako simulaci nebo modelování, často srovnávající výstupy modelů s aspekty lidského chování. Přesto existuje mnoho neshod ohledně přesného vztahu mezi kognitivní vědou a jinými obory a interdisciplinární povaha kognitivní vědy je z velké části jak nerealizovaná, tak ohraničená.[Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text]
Mnozí, ale ne všichni, kteří se považují za kognitivní vědce, mají funkcionalistický pohled na mysl – názor, že duševní stavy jsou klasifikovány funkčně tak, že každý systém, který plní správnou funkci pro nějaký duševní stav, je považován za takový duševní stav. Podle funkcionalismu o mysli tedy i mimolidské systémy, jako jsou jiné živočišné druhy, cizí formy života nebo pokročilé počítače, mohou mít v zásadě duševní stavy. Tato perspektiva je jedním z důvodů, proč termín „kognitivní věda“ není přesně koextenzivní s neurovědou, psychologií nebo nějakou jejich kombinací.[Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text]
Z vnějšího hlediska je největším interdisciplinárním kontextem kognitivní vědy systémovost. Zahrnuje socio-kognitivní rozšíření kognitivních modelů a teorií o různá sociální prostředí sociální systémy s důrazem na distribuované kognitivní a inteligenční systémy.[Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text]
Kognitivní věda: termín
Termín „kognitivní“ v „kognitivní vědě“ je „používán pro jakýkoli druh mentální operace nebo struktury, kterou lze studovat v přesných termínech“ (Lakoff a Johnson, 1999). Tato konceptualizace je velmi široká a neměla by být zaměňována s tím, jak je „kognitivní“ používáno v některých tradicích analytické filozofie, kde „kognitivní“ má co do činění pouze s formálními pravidly a sémantikou podmíněnou pravdou. (Nicméně tento výklad by přiblížil historicky dominantní myšlenkovou školu v kognitivní vědě o povaze poznávání – že je v podstatě symbolické, výrokové a logické.)
Nejstarší zápisy pro slovo „kognitivní“ v OED jej chápou jako zhruba vztahující se „k působení nebo procesu poznání“. První zápis z roku 1586 ukazuje, že toto slovo bylo svého času používáno v souvislosti s diskusemi o platónských teoriích poznání. Většina z kognitivních věd však pravděpodobně nevěří, že jejich oborem je studium čehokoliv tak jistého, jako je poznání, o které usiluje Platón.
Kognitivní věda je rozsáhlý obor a pokrývá širokou škálu témat týkajících se poznávání. Je však třeba si uvědomit, že kognitivní věda se nezabývá stejnou měrou každým tématem, které by mohlo souviset s povahou a fungováním mysli nebo inteligence. Sociální a kulturní faktory, emoce, vědomí, poznávání zvířat, komparativní a evoluční přístupy jsou často zdůrazňovány nebo přímo vylučovány, často založené na klíčových filozofických konfliktech. Dalším důležitým tématem souvisejícím s myslí, kterému se kognitivní vědy spíše vyhýbají, je existence kvalie, přičemž diskuse o této otázce se někdy omezují pouze na zmínku o kvalii jako filozoficky otevřené záležitosti. Někteří lidé v komunitě kognitivních věd však považují tato témata za životně důležitá a obhajují důležitost jejich zkoumání.
Níže jsou uvedena některá z hlavních témat, kterými se kognitivní věda zabývá. Toto není vyčerpávající seznam, ale má pokrývat širokou škálu inteligentního chování. Seznam témat kognitivní vědy obsahuje seznam různých aspektů tohoto oboru.
„… Jedním z hlavních přínosů umělé inteligence a kognitivní vědy pro psychologii byl model zpracování informací lidského myšlení, ve kterém je metafora mozku-jako-počítače brána doslova.
.“ Webové stránky AAAI.
Umělá inteligence (AI) zahrnuje studium kognitivních jevů ve strojích. Jedním z praktických cílů AI je implementace aspektů lidské inteligence v počítačích. Počítače jsou také široce používány jako nástroj ke studiu kognitivních jevů. Počítačové modelování využívá simulace ke studiu toho, jak může být lidská inteligence strukturována. (Viz sekce o výpočetním modelování v sekci Výzkumné metody.)
V této oblasti se vedou určité debaty o tom, zda je na mysl nejlepší pohlížet jako na obrovské množství malých, ale jednotlivě slabých prvků (tj. neuronů), nebo jako na soubor struktur vyšší úrovně, jako jsou symboly, schémata, plány a pravidla. První pohled využívá konektonismus ke studiu mysli, zatímco druhý klade důraz na symbolické výpočty. Jedním ze způsobů, jak nahlížet na tuto otázku, je, zda je možné přesně simulovat lidský mozek na počítači, aniž by byly přesně simulovány neurony, které tvoří lidský mozek.
Pozornost je výběr důležitých informací. Lidská mysl je bombardována miliony podnětů a musí mít způsob, jak se rozhodnout, kterou z těchto informací zpracovat. Pozornost je někdy vnímána jako reflektor, což znamená, že člověk může posvítit pouze na určitý soubor informací. Experimenty, které podporují tuto metaforu, zahrnují dichotický poslechový úkol (Cherry, 1957) a studie nepozornosti slepoty (Mack and Rock, 1998). V dichotickém poslechovém úkolu jsou subjekty bombardovány dvěma různými zprávami, jednou do každého ucha, a je jim řečeno, aby se soustředily pouze na jednu z těchto zpráv. Na konci experimentu, když jsou subjekty dotázány na obsah zprávy bez dozoru, ji nemohou nahlásit.
Známý příklad stromu struktury frází. Je to jeden ze způsobů reprezentace lidského jazyka, který ukazuje, jak jsou jednotlivé složky hierarchicky uspořádány.
Studium jazykového zpracování sahá od zkoumání zvukových vzorců řeči až po význam slov a celých vět. Jazykověda často dělí jazykové zpracování na ortografii, fonologii a fonetiku, syntaktiku, sémantiku a pragmatiku. Z každé z těchto složek a z jejich interakce lze studovat mnoho aspektů jazyka.
Studium zpracování jazyka v kognitivních vědách je úzce spjato s oblastí lingvistiky. Jazykověda byla tradičně studována jako součást humanitních věd, včetně studia historie, umění a literatury. V posledních zhruba padesáti letech se stále více badatelů zabývá znalostmi a používáním jazyka jako kognitivního fenoménu, přičemž hlavní problémy spočívají v tom, jak lze znalost jazyka získat a využít a v čem přesně spočívá. Lingvisté zjistili, že zatímco lidé formují věty způsobem, který je zřejmě řízen velmi složitými systémy, pozoruhodně si neuvědomují pravidla, kterými se řídí jejich vlastní řeč. Proto se lingvisté musí uchýlit k nepřímým metodám, aby určili, jaká by tato pravidla mohla být. Pokud je řeč skutečně řízena pravidly, jeví se jako neprůhledná pro jakékoli vědomé úvahy.
Jedním z přístupů ke kognitivním otázkám v jazyce je pragmatičnost jazyka, tedy současné užívání jazyka skutečným mluvčím. Z pragmatického analytického pohledu je možné ukázat, že někteří lidé, kteří mají profesi, ve které kategoricky pracují s jazykem (např. novináři), mají chování, které není předvídatelné podle známých teorií. Pragmatický přístup je také užitečný při studiu kolektivního distribuovaného rozhodování, zejména ve vysílaných systémech (např. řízení přístupu v letectví – AAP).
Učení a rozvoj jsou procesy, kterými v průběhu času získáváme znalosti a informace. Děti se rodí s malými nebo žádnými znalostmi (podle toho, jak jsou znalosti definovány), přesto rychle získávají schopnost používat jazyk, chodit a poznávat lidi a předměty. Výzkum v oblasti učení a rozvoje si klade za cíl vysvětlit mechanismy, kterými by tyto procesy mohly probíhat.
Hlavní otázkou ve studiu kognitivního vývoje je, do jaké míry jsou určité schopnosti vrozené nebo naučené. To je často formulováno v rámci debaty o přirozenosti versus výchově. nativistický pohled zdůrazňuje, že určité vlastnosti jsou organismu vrozené a jsou dány jeho genetickou výbavou. Empirický pohled naopak zdůrazňuje, že určité schopnosti se učí z prostředí. Ačkoli je jasné, že pro normální vývoj dítěte je potřeba genetický i environmentální vklad, zůstává značná debata o tom, jak by genetická informace mohla vést kognitivní vývoj. Například v oblasti osvojování jazyka někteří (například Steven Pinker) argumentovali, že specifické informace obsahující univerzální gramatická pravidla musí být obsaženy v genech, zatímco jiní (například Jeffrey Elman a kolegové z Rethinking Innateness) argumentovali, že Pinkerova tvrzení jsou biologicky nereálná. Tvrdili, že geny určují architekturu učebního systému, ale že specifická „fakta“ o tom, jak gramatika funguje, se lze dozvědět pouze na základě zkušenosti.
Paměť nám umožňuje ukládat informace pro pozdější načtení. Paměť je často myšlena jako skládající se z dlouhodobého i krátkodobého úložiště. Dlouhodobá paměť nám umožňuje ukládat informace po delší dobu (dny, týdny, roky). Praktický limit kapacity dlouhodobé paměti zatím neznáme. Krátkodobá paměť nám umožňuje ukládat informace po krátké časové škále (sekundy nebo minuty).
Paměť je také často seskupena do deklarativních a procedurálních forem. Deklarativní paměť – seskupená do podskupin sémantických a epizodických forem paměti – odkazuje na naši paměť pro fakta a konkrétní znalosti, konkrétní významy a konkrétní zkušenosti (např. Kdo byl prvním prezidentem USA?, nebo „Co jsem před čtyřmi dny jedl k snídani?). Procedurální paměť nám umožňuje pamatovat si akce a motorické sekvence (např. jak jezdit na kole) a je často přezdívána implicitní znalost nebo paměť .
Kognitivní vědci studují paměť stejně jako psychologové, ale mají tendenci se více soustředit na to, jak paměť působí na kognitivní procesy a na vzájemný vztah mezi poznáváním a pamětí. Jedním z příkladů může být, jakými mentálními procesy člověk prochází, aby získal dávno ztracenou paměť? Nebo, co rozlišuje mezi kognitivním procesem rozpoznávání (vidět náznaky něčeho předtím, než si to zapamatuje, nebo paměť v kontextu) a vybavováním (získávání paměti, jako v „vyplňte-prázdno“)?
Neckerova kostka, příklad optického klamu
Do oblasti vnímání spadá i studium haptických (hmatových), čichových a chuťových podnětů.
Akce se provádí tak, že se odkazuje na výstup systému. U lidí se toho dosahuje prostřednictvím motorických reakcí. Prostorové plánování a pohyb, produkce řeči a složité motorické pohyby jsou všechny aspekty akce.
Ke studiu kognitivních věd se používá mnoho různých metodik. Jelikož je obor vysoce interdisciplinární, výzkum často zasahuje do více oblastí studia a čerpá z výzkumných metod z psychologie, neurovědy, informatiky a teorie systémů.
Abychom měli popis toho, co představuje inteligentní chování, musíme studovat chování samotné. Tento typ výzkumu je úzce spjat s výzkumem v kognitivní psychologii a psychofyzice. Měřením reakcí chování na různé podněty lze pochopit něco o tom, jak jsou tyto podněty zpracovávány.
Obrázek lidské hlavy s mozkem. Šipka ukazuje polohu hypothalamu.
Zobrazování mozku zahrnuje analýzu aktivity v mozku při provádění různých kognitivních úkolů. To nám umožňuje propojit chování a mozkové funkce a pomoci pochopit, jak jsou informace zpracovávány. Různé typy zobrazovacích technik se liší ve svém časovém (časově) a prostorovém (lokalizačním) rozlišení. Zobrazování mozku se často používá v kognitivní neurovědě.
Nervová síť se dvěma vrstvami.
Výpočetní modely vyžadují matematicky a logicky formální reprezentaci problému. Počítačové modely se používají při simulaci a experimentálním ověřování různých specifických a obecných vlastností inteligence. Výpočetní modelování nám může pomoci porozumět funkční organizaci konkrétního kognitivního jevu.
Existují dva základní přístupy ke kognitivnímu modelování. První je zaměřen na abstraktní mentální funkce inteligentní mysli a pracuje pomocí symbolů a druhý, který sleduje neuronové a asociační vlastnosti lidského mozku, se nazývá subsymbolický.
Mezi další přístupy, které získávají na popularitě, patří využití teorie dynamických systémů a také techniky vkládání symbolických modelů a konektionistických modelů do korespondence (Neurálně-symbolická integrace). Oblibu získávají také bayesovské modely, často čerpané ze strojového učení.
Všechny výše uvedené přístupy bývají zobecněny do podoby integrovaných výpočetních modelů syntetické/abstraktní inteligence, aby mohly být aplikovány na vysvětlení a zlepšení individuálního a společenského/organizačního rozhodování a uvažování.
Výzkumné metody vypůjčené přímo z neurověd a neuropsychologie nám také mohou pomoci pochopit aspekty inteligence. Tyto metody nám umožňují pochopit, jak je inteligentní chování implementováno ve fyzickém systému.
Kognitivní věda má mnoho zásluh. Kromě jiných úspěchů dala vzniknout modelům lidského kognitivního zkreslení a vnímání rizika a má vliv na rozvoj behaviorálních financí, které jsou součástí ekonomie. Dala také vzniknout nové teorii filozofie matematiky a mnoha teoriím umělé inteligence, přesvědčování a nátlaku. Svou přítomnost dala pevně najevo ve filozofii jazyka a epistemologie – novodobém oživení racionalismu – a také tvoří podstatné křídlo moderní lingvistiky. Oblasti kognitivní vědy měly vliv na pochopení konkrétních funkčních systémů mozku (a funkčních deficitů) od produkce řeči až po sluchové zpracování a zrakové vnímání. Pokročila v pochopení toho, jak poškození určitých oblastí mozku ovlivňuje poznávání, a pomohla odhalit základní příčiny a výsledky specifických poruch, jako je dyslexie, anopie a zanedbávání hemisfér.
Filosofické základy výzkumu v kognitivní vědě byly kritizovány filosofy i vědci[potřebné přisuzování]. V projevu předneseném krátce před svou smrtí, B.F. Skinner prohlásil, že „kognitivní věda je kreacionismus psychologie“.
Viz Funkcionalismus (filozofie mysli) pro rozšířený záznam o kritice.
Některá z uznávanějších jmen v kognitivní vědě jsou obvykle buď nejkontroverznější nebo nejvíce citovaná. V rámci filozofie známá jména patří Daniel Dennett, který píše z pohledu výpočetních systémů, John Searle známý svým kontroverzním čínským pokojem, Jerry Fodor, který obhajuje funkcionalismus, a Douglas Hofstadter, známý psaním Gödela, Eschera, Bacha, který zpochybňuje povahu slov a myšlení. V oblasti lingvistiky byli vlivní Noam Chomsky a George Lakoff (oba se také stali významnými jako političtí komentátoři). V oblasti umělé inteligence jsou významní Marvin Minsky a Kevin Warwick. Oblíbená jména v oboru psychologie patří James McClelland a Steven Pinker.
Akademický obor kognitivních věd je založen teprve nedávno. Kalifornská univerzita v San Diegu jako první univerzita na světě založila katedru kognitivních věd a první doktorát z kognitivních věd získala v roce 1991 Agneta Gulzová z Lundské univerzity.