Introduzione alle Scienze Cognitive Cosa sono le Scienze Cognitive? QuickTime™ e un de com press ore TIFF (No n compre sso) so no n ece ssari per vi sual izza re qu est'imm agin e. “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 approccio interdisciplinare che si trova agli incroci delle seguenti discipline: – – – – – – Psicologia Computer Science Filosofia Linguistica Antropologia Neuroscienza QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzar e quest'immagine. • 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 QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. • (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… QuickTi me™ e un decompressore TIFF (N on compresso) sono necessari per visual izzar e q uest' immag i ne. Quick Time™e u n de compr ess ore T IF F (Non c ompr esso ) so no nec essa ri per v is ualizzar e que st'immag in e. Quick Time™e u n de compr ess ore T IF F (Non c ompr esso ) so no nec essa ri per v is ualizzar e que st'immag in e. – la “mente” di un computer Quic k Ti me™ e un dec om pres s ore T IFF (Non c ompres s o) s ono nec es s ari per vi s uali zzare ques t 'im magi ne. 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 QuickTi me™ e un decompressore TIFF (N on compresso) sono necessari per visual izzar e q uest'i mmagi ne. • 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 Quic kTime™ e un dec ompres sore TIFF (Non c ompres so) s ono nec es sari per visualiz z are ques t'immagine. • 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.) QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'i mmagine. • 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”) QuickTime™ e un de com press ore TIFF (No n compre sso) so no n ece ssari per vi sual izza re qu est'imm agin e. 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 QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. Il Sistema Nervoso Centrale QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. La Neuroscienza Cognitiva • si concentra sulla congettura che il pensiero è spiegabile in termini di funzioni elettrochimiche dei neuroni QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. 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: QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. 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..) QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. 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) QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. Da neurone a neurone QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. 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? QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. 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 QuickTi me™ e un decom pressore T IFF (Non compresso) sono necessari per vi sual izzare quest'im magi ne. QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. • 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 QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'i mmagine. 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+McDermott, 1985) Lo studio delle computazioni che rendono possibili percezioni, ragionamenti e azioni (Winston, 1992) “Lo studio di come far fare ai computer “La branca dell’informatica che si cose che, al momento, le persone occupa dell’automazione del fanno meglio” comportamento intelligente” (Rich+Knight, 1991) (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 Il pensiero è un tipo di calcolo I processi di informazione sono dotati di significato sono rappresentabili in maniera formale 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 QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. • 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 QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. • 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 QuickTi me™ e un decom pressore T IFF (Non compresso) sono necessari per vi suali zzare quest 'im magi ne. QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. Metodi neurologici classici • Studio di lesioni nel cervello postmortem metodo classico • Studio delle afasie (disturbi del linguaggio dopo danni cerebrali) QuickTi me™ e un decompressore TIFF (N on compresso) sono necessari per visual izzar e q uest' immag i ne. Metodi neurologici moderni • Potenziali evocati Qu i ck Ti me ™e un d ec omp res so re TIFF (N on c om pres so ) s on o ne ce ss ari pe rv is ua l iz za re qu es t'i mm ag in e. • Techniche di neuroimaging – fMRI (functional magnetic resonance – PET (Positron Emission Tomography) – DTI (Diffusion tensor imaging) QuickTi me™ e un decompressore TIFF (N on compresso) sono necessari per visual izzar e q uest' immag i ne. Qui ckTime™ e un decompr essore TIFF (Non compr esso) sono necessar i per visual izzare q uest' immag ine. QuickTi me™ e un decompressore TIFF (N on compresso) sono necessari per visual izzar e q uest' immag i ne. Quic kT i me™ e un dec ompres s ore T IFF (Non c om pres s o) s ono nec es s ari per vi s uali zzare ques t 'i mm agine. QuickTi me™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visual izzar e q uest' immag i ne. 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 Quic k Ti me™ e un dec om pres s ore T IFF (Non c ompres s o) s ono nec es s ari per vi s uali zzare ques t 'im magi ne. QuickTime™ e un decompressore TIFF (Non compresso) sono necessari per visualizzare quest'immagine. • 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