Introduzione alle Scienze Cognitive Cosa sono le Scienze

Introduzione alle Scienze Cognitive

Cosa sono le Scienze Cognitive?

“Cogito ergo sum” (“Penso, dunque sono”) Per 500 anni queste famose parole del filosofo Renè Descarte (1596 -1650), conosciuto in Italia con il nome di Cartesio, sono state citate da filosofi e scienziati, Ma che cosa significa pensare?

Le Scienze Cognitive sono: • un tentativo interdisciplinare di capire il processo del pensare • uno sforzo di definire cosa significhi essere intelligente

Scienze Cognitive Ø approccio interdisciplinare che si trova agli incroci delle seguenti discipline: – – – Psicologia Computer Science Filosofia Linguistica Antropologia Neuroscienza

• le scienze cognitive concentrano la loro attenzione sul come pensiamo • gli scienziati cognitivi cercano di capire come sistemi intelligenti sono costruiti e come funzionano - siano loro biologici o artificiali

Esempio • immagina di essere alla guida di un auto (o motorino) e di percorrere una strada a te conosciuta • il ritorno a casa lo fai guidando “automaticamente” senza pensare • non pensi a come accelerare o a come girare il manubrio • (se in auto) ascolti molto probabilmente la radio e canticchi mentre pensi in anticipazione ad una festa nel weekend o ti preoccupi per un esame • la tua mente però, a tua insaputa, è impegnata in centinaia di operazioni mentre guidi • il tuo sistema visivo per esempio sta trasmettendo milioni di segnali al tuo cervello • i tuoi sensi stanno processando i suoni dei clacson, la freschezza del vento, e l’odore del pollo del girarrosto che hai appena passato • perfino la canzone che ascolti alla radio causa un complesso processo di elaborazione dati

Le Scienze cognitive cercano di capire fra tante altre cose: – come riesci a capire la canzone che stai ascoltando – come hai imparato le sottigliezze della tua lingua – il come puoi avere un concetto come quello di “canzone”, o “linguaggio” – il come riesci in questo momento, a prendere una collezione di linee proiettate su uno schermo e trasformarli in parole dotate di significato tramite il processo della lettura

Definizioni

• Secondo Gardner (1985), le scienze cognitive (o cognitive science) sono nate 11 Settembre 1956 ad un simposio sulla teoria dell’informazione tenutosi al Massachusetts Institute of Technology (MIT) • da allora molti studiosi dalle discipline già menzionate (psicologia, filosofia, linguistica, neuroscienze e antropologia) si sono riuniti per affrontare questioni riguardante la natura della mente e il come la conoscenza è rappresentata, immaganizzata, e utilizzata dalla mente

• negli anni molti autori hanno definito cognitive science in una varietà di modi: • “la scienza dei sistemi intelligenti” - George Luger (1981) • “lo studio dell’intelligenza e dei sistemi intelligenti” Simon & Kaplan (1989) • “la scienza della mente” - Stillings et al. (1995) • “lo studio scientifico interdisciplinare della mente” Green (1996)

• L’ampiezza di queste definizioni ci permette di includere lo studio di una varietà di menti: – la mente di un essere umano adulto… – la mente di un bambino… – la mente di un animale…e perfino… – la “mente” di un computer

Il nostro obiettivo oggi • riflettere su quello che significhi essere “intelligente” • Ri-considerare la possibilità che esista una gamma di comportamenti intelligenti • Ri-chiederci quando è possibile considerare una macchina “intelligente”

Le discipline delle Scienze Cognitive

• Le scienze cognitive sono un campo di studio interdisciplinare • scienziati di diverse discipline condividono informazione e metodi nello sforzo di arrivare ad un quadro completo sul come funziona la mente • Abbiamo detto che le discipline più coinvolte sono cinque

• Parliamo un po’ di 5 di queste discipline – – – Filosofia Psicologia Neuroscienze Linguistica Computer scienze (informatica/scienze computazionali)

La Filosofia • La filosofia si è interessata a questioni riguardanti la logica e il significato (insieme a trante altre…) • la domanda “cos’è la conoscenza” è stata posta dai filosofi molto prima che esistessero le scienze cognitive • la filosofia, dunque ha fornito alle scienze cognitive molte delle domande fondamentali e le relative ipotesi sulla cognizione umana (conoscenza; l’atto di conoscere)

Da dove viene la conoscenza? Questa domanda ha avuto un profondo impatto sulle scienze cognitive

Aristotele 384 a. C. - 322 a. C • aveva punto di vista empirico • diceva che la conoscenza veniva dall’esperienza che abbiamo del mondo che ci circonda (Barnes, 1987)

Platone (Atene, 427 a. C. - Atene , 347 a. C. ) • credeva invece che gran parte della conoscenza umana fosse innata e…. • che molto di quello che consideriamo “apprendimento” non sia altro che l’attivazione di memorie di conoscenza che già possediamo prima della nascita (Hamilton & Cairns, 1961)

Ricordiamoci di Cartesio “Cogito ergo sum” (“Penso, dunque sono”) Secondo Cartesio: • partendo dal principio che il pensiero può dimostrare autonomamente la propria esistenza concluse che la caratteristica essenziale del soggetto fosse il pensiero • proseguendo in questa riflessione egli dedusse non solo l’esistenza di Dio ma sostenne che Egli aveva creato due sostanze: – la sostanza pensante (res cogitans), la cui caratteristica essenziale è il pensiero…e… – la sostanza estesa (res extensa), la cui caratteristica essenziale è quella di occupare una determinata estensione fisica • • la sostanza pensante si conforma alle leggi del pensiero…e… la sostanza estesa si conforma alle leggi meccaniche della fisica • la bipartizione della realtà nelle due sostanze, quella fisica e quella mentale e nota come dualismo cartesiano • Questo concetto ha profondamente influenzato la filosofia occidentale.

Dualismo Cartesiano • ll Dualismo proposto da Cartesio non è più considerato plausibile ma…. • la domanda su come la mente (o in altre parole… i fenomeni mentali come ad esempio il pensiero, l’immaginazione, i desideri, i sogni, le emozioni…ecc. ) possono emergere dalla materia fisica di un organo chiamato “cervello” è una domanda che ancora tormenta tanti campi di ricerca… Soprattutto quello delle scienze cognitive!

Psicologia • lo studio scientifico del comportamento e dei processi mentali (Matlin, 1999) • la sua metodologia enfatizza l’osservazione sistematica e gli esperimenti controllati • fin dall’inizio, i primi psicologi erano interessati allo studio di processi cognitivi come la memoria, il linguaggio, la percezione e il ragionamento

• l’interesse della psicologia nella misurazione dell’intelligenza risale agli inizi del XX Secolo quando… • psicologi come Alfred Binet svilluparono i primi test dell’intelligenza per identificare studenti con problemi di apprendimento nelle scuole di Parigi

Psicologia Cognitiva • la odierna psicologia cognitiva si sviluppò negli anni 60 con la information processing revolution • questo approccio vede il pensiero come un processo di manipolazione di simboli • questa idea è diventata una congettura fondamentale delle scienze cognitive

• gli psicologi cognitivi usando il modello di information processing o di elaborazione dati cominciarono a utilizzare le simulazioni computazionali come strumento per modellare il pensiero umano • successivamente, questo approccio creò collegamenti importanti con il campo delle scienze computazionali (computer science)

Le Neuroscienze • studiano l’organizzazione e il funzionamento del cervello e del sistema nervoso

Il Sistema Nervoso Centrale

La Neuroscienza Cognitiva • si concentra sulla congettura che il pensiero è spiegabile in termini di funzioni elettrochimiche dei neuroni

Cosa sono i neuroni? • I neuroni sono: – le cellule del sistema nervoso – sono specializzate per trasportare “messaggi” tramite un processo elettrochimico – Il cervello ha circa 100 miliardi di neuroni

I neuroni • hanno forme e dimensioni diverse – i più piccoli sono grandi solo 4 micron – i più grande possono arrivare a 100 micron (1 micron=un millesimo di millimetro) Esempio di un tipo di neurone:

I neuroni • Sono come le altre cellule del corpo umano in quanto: – sono dotati di membrana cellulare – hanno un nucleo che contiene i geni – hanno citoplasma, mitocondri etc. – attuano processi metabolici elementari (es. sintesi proteica; produzione di energia. . )

I neuroni • Sono diversi però dalle altre cellule del corpo umano in quanto: – hanno estensioni specializzate che si chiamano dendrite e assoni • i dendriti portano informazioni al corpo cellulare • gli assoni le portano via dal corpo cellulare – comunicano fra loro tramite processi elettrochimici – sono dotati di strutture specializzate (come le sinapsi) – e contengono sostanze chimiche (come i neurotrasmettitori)

Da neurone

Il neurone è speciale • Cos’è che rende il neurone speciale? – Conoscendo le funzioni di poche cellule di un organo del corpo (il fegato, i reni, la vescica, ecc. ) possiamo dedurre la funzione globale dell’organo Lo stesso non si può dire del cervello! – Le cellule del cervello, i neuroni, partecipano in una miriade di attività (il vedere, l’udire, il pensare, il provare emozioni, nell’avere consapevolezza di se…ecc. ) Lo studio dell’architettura dei neuroni ci aiuta a cominciare a capire il perché il cervello è così multifunzionale

Io sono i miei neuroni! O no?

Spiegazioni Neuroscientifiche • anche se i neuroscienziati cercano un altro tipo di spiegazione per il comportamento intelligente da quella cercata dai psicologi… • il loro lavoro fornisce ipotesi molto utili sulle possibili architetture dell’intelligenza umana e delle macchine

• Grazie al lavoro delle neuroscienze, abbiamo capito che – il cervello usa parallel processing o elaborazione parallella per processare diversi tipi di informazione contemporaneamente – negli anni 50 e 60 invece, secondo alcuni modelli proposti, si era pensato che il cervello elaborava informazione in modo seriale

Elaborazione Parallela • l’idea del parallel processing ha generato un grande entusiasmo nelle scienze cognitive, e ha portato alla proposta di nuovi modelli cognitivi, come ad esempio quelli connessionisti

La Linguistica • Il campo della linguistica studia la struttura del linguaggio umano e come viene acquisito da tutti noi • Inizialmente lo studio della linguistica si concentrava sulle “grammatiche superficiali” o le regole di come il linguaggio è utilizzato da una comunità di persone parlanti una stessa lingua • per esempio: la classificazione di parole in sostantivi, verbi, aggettivi, ecc…e le regole dietro la loro combinazione in frasi corrette

• Nel 1950 il linguista Noam Chomsky propose un nuovo obiettivo al campo della linguistica… • quello di studiare il significato, o struttura profonda del linguaggio • quello che interessa più a noi è che Chomsky propose che gli esseri umani hanno una capacità innata per il linguaggio che è sensibile alle regole particolari che si verificano nei linguaggi umani • questo innato meccanismo linguistico, secondo lui, consente ai bambini di cogliere aspetti sofisticati del linguaggio, molto presto e con pochissimo sforzo

• le teorie di Chomsky hanno avuto un fortissimo impatto sulle scienze cognitive e per molti anni hanno dominato la ricerca…ma…. • oggi non sono condivisi da tutti e spiegazioni alternative sulla cognizione del linguaggio negli essere umani diventano sempre più frequenti

Computer Science (l’informatica e/o scienze computazionali) • la più giovane delle discipline che fanno parte integrante delle scienze cognitive… ma la più influente • è stata la disciplina che ci ha incoraggiato ad ampliare le nostre definizioni dell’intelligenza e ad esaminare le possibilità dell’intelligenza artificiale

Alan Turing (Londra, 23 giugno 1912 - Manchester, 7 giugno 1954) • Primo computer scientist a concentrarsi sulla questione dell’intelligenza delle macchine e… • come si potrebbe determinare se una macchina è intelligente o no

• I metodi delle scienze computazionali sono concentrati nella creazione di programmi computazionali che siano in grado di svolgere una varietà di compiti cognitivi… • come ad esempio il calcolo, la risoluzioni di problemi, la categorizzazione, insieme a molti altri… • successivamente si osserva dove e come questi tipi di processi falliscono • la creazione di un programma, richiede definizioni precise e procedure sistematiche • questo costringe agli scienziati cognitivi ad essere molto specifici nello specificare quello che considerano un comportamento intelligente

Cosa è l’Intelligenza Artificiale “[L’automazione di] attività che associamo con il pensiero umano, come: prendere decisioni, risolvere problemi, imparare…” (Bellman, 1978) “Lo studio delle facoltà mentali per mezzo di modelli computazionali” (Charniak+Mc. Dermott, 1985) Lo studio delle computazioni che rendono possibili percezioni, ragionamenti e azioni (Winston, 1992) “Lo studio di come fare ai computer cose che, al momento, le persone fanno meglio” (Rich+Knight, 1991) “La branca dell’informatica che si occupa dell’automazione del comportamento intelligente” (Luger+Stubblefield, 1993) Le visioni dell’Intelligenza Artificiale ricadono in quattro categorie: Pensare come un essere umano Pensare razionalmente Agire come un essere umano Agire razionalmente

Le premesse delle Scienze Cognitive

• L’essere coinvolto nello studio delle scienze cognitive significa accettare determinate premesse sulla natura del pensare e dell’intelligenza

Le premesse delle Scienze Cognitive q Il pensiero è un tipo di calcolo q I processi di informazione sono dotati di significato sono rappresentabili in maniera formale

q Le scienze cognitive sono una “basic” science” - o in altre parole… – una scienza che cerca teorie generali del comportamento intelligente – nonostante gli scienziati cognitivi riconoscano che le differenze individuali del pensiero esistono, quello che cercano sono le leggi o principi universali sottostanti a tutte le forme di intelligenza – Inoltre…anche se molte applicazioni pratiche possono emergere dalla ricerca delle scienze cognitive… – Il fine ultimo della ricerca in questo campo…è capire la conoscenza stessa

Metodi di ricerca delle Scienze Cognitive

• un pensiero non si può vedere, e non puoi misurare or pesare un’idea…ma… • gli eventi mentali possono essere descritti ed analizzati tramite una varietà di metodi scientifici

• l’Introspezione - non è molto attendibile ma può fornirci ipotesi preliminari da andare a testare dopo con metodi più obiettivi

• Tempi di reazione - misurando la velocità di un certo tipo di elaborazione possiamo dedurre l’attivazione inconscia di concetti e dei processi che non sono accessibile alla introspezione

Metodi neurologici classici • Studio di lesioni nel cervello postmortem metodo classico • Studio delle afasie (disturbi del linguaggio dopo danni cerebrali)

Metodi neurologici moderni • Potenziali evocati • Techniche di neuroimaging – f. MRI (functional magnetic resonance – PET (Positron Emission Tomography) – DTI (Diffusion tensor imaging)

Modelli Computazionali • più cresce la nostra conoscenza di particolari processi cognitivi, più siamo in grado di sviluppare simulazioni di essi • questo ci consente di migliorare le nostre definizioni e teorie • spesso gli scienziati cognitivi paragonano i comportamenti di pensatori umani con quelli di pensatori artificiali attraverso modelli computazionali

• Un esempio di un modello matematico o modello computazionale basato su le reti neuronali biologici sono le reti neuronali artificiali

• consistono in un gruppo di neuroni artificiali connessi tra di loro • che elaborano informazione utilizzando un approccio connessionista alla computazione • nella maggior parte dei casi una rete neuronale artificiale (artificial neural network) è un sistema adattivo che cambia la sua struttura a secondo l’informazione esterna o interna che passa attraverso la rete durante le fasi di apprendimento o addestramento

Conclusioni • Le scienze cognitive rappresentano uno dei campi di ricerca più eccitanti e interessanti della epoca in cui viviamo • si concentrano su una delle tematiche più antiche nella storia delle idee dell’uomo, ma lo fanno applicando le tecnologie moderne • rappresentano uno sforzo interdisciplinare che coinvolge una varietà di campi di ricerca