Когнитивная психология тривоас! Москва, 1996 ббк88 C60

По теме ИИ есть рбширная литература. Хорошее введение, которое толь­ко случайно осталось непонятым: Jackson. Introduction to Artificial Intelligence-, Apter and Westby, eds. The Computer in Psychology.

Общие обзоры:

Tauke. Computers and Common Sense (в мягкой обложке);

J.G.Kemeny. Man and the Computer,

Apter. The Computer Simulation of Behavior.

Хорошо написанное и технически интересное изложение исследований: Raphael. The Thinking Computer.

С несколько большим уклоном в технику: Feigenbaum and Feldman, eds. Computers and Thought-, Winston, ed. The Psychology of Computer Vision', Schank and Colby, eds. Computer Models of Thought and Language; "Computer Power and Human Reason", in: Weizenbaum. Judgment to Ca­lculation.

Также интересны центральные разделы в:

Norman and Rumelhart. Exploration in Cognition;

Bower and Hilgard. Theories of Learning (5th ed.);

Michie. "Machine and the Theory of Intel-ligence" in: Nature;

Winograd. "Artificial Intelligence: When will computers understand people?" in: Psychology Today.

Весьма рекомендуется:

Pylyshyn. Computation and Cognition: Toward a Foundation for Cogn­itive Science.

Выпуск журнала Bite за апрель 1985г. в основном посвящен ИИ и содер­жит захватывающие статьи таких авторов как Minsky, Schank, and Hunt­er, John Anderson, and Reiser, Winston, Hilton и др. Стоит прочесть всем интересующимся ИИ и смежными областям (кроме всего, они хорошо читаются):

Godei, Escher and Bach. Metamagical Themas: Questing for the Essence of Mind and Matter, Douglas Hofstadter. An Eternal Golden Braid.

Весьма рекомендуется книга, где обсуждается ИИ и многие другие темы, затронутые в настоящей книге: Gardner. Mind's New Science.

Некоторые интересные технические вопросы рассматриваются в: Artificial and Human Intelligence, ed. by Elithorn and Banerji; Perspectives on Cognitive Science, ed. by Norman.

Ответ на вопрос на с. 518: в интервью "А" компьютер был "пациентом".

Искусственный интеллект 537

Приложение

Современные методы нейрофизиологии

ЯМР и ЭПС

При обследовании методом ЯМР (ядерный магнитный резонанс) вокруг тела пациента расположены очень мощные электромагниты, которые воз­действуют на ядра атомов водорода, входящих в состав воды. На основа­нии полученных при этом данных можно судить о колебаниях плотности атомов водорода и об их взаимодействии с окружающими тканями. По­скольку водород указывает на содержание воды, метод ЯМР можно при­менять в диагностических и исследовательских целях. Одним из главных его недостатков до недавних пор было значительное время, требуемое для построения общей картины. Вследствие большого времени экспозиции этот метод подходил только для наблюдения за статичными биологическими структурами и был практически неприменим для изучения быстроменяю­щихся процессов, связанных с познавательной деятельностью. Но теперь появилась быстродействующая техника регистрации данных, позволяю­щая получать картину за 30 мс, что достаточно для наблюдения за быст-ропротекающими когнитивными функциями. Кроме того, этрт^етод, на­зываемый эхо-планарным ЯМР-сканированием (ЭПС) позволяет получать картины функциональной активности мозга с высоким разрешением. Воз­можно, что в ближайшие годы развитие техники ЭПС позволит ей стать практическим инструментом для дискретной визуализации структур мозга и регистрации процессов в реальном масштабе времени. Более подробно см.: Schneider, Noll, and Cohen (1993) и Cohen, Rosen, and Brady (1992).

КАТ-сканер (компьютерная аксиальная томография) действует при помо­щи рентгеновского аппарата, вращающегося вокруг черепа и бомбардиру­ющего его тонкими веерообразными рентгеновскими лучами. Эти лучи регистрируются чувствительными детекторами, расположенными с проти­воположной от источника стороны. Данная процедура отличается от обыч­ного рентгеновского обследования тем, что последнее дает только один вид части тела. Кроме того на обычной рентгеновской установке крупные молекулы (например, кальция черепа) сильно поглощают лучи и маскиру­ют находящиеся за ними органы. Вращая рентгеновский луч на 180 граду­сов, КАТ-сканер позволяет получить множество изображений одного и того же органа и таким образом построить внутренний поперечный срез, или "ломтик" этой части тела. Изображение поперечного сечения, назы­ваемое томограммой (буквально "написание раздела"), стало играть реша­ющую роль в медицинской диагностике. Отображая локальный кровоток и патологическую метаболическую активность, томография позволяет бо­лее точно ставить диагноз. В когнитивной психологии КАТ-сканеры были

применены для отображения когнитивных структур Еще более сложный вариант этого метода, называемый динамической пространственной ре конструкцией (ДПР), позволяет "увидеть" внутренние структуры в трех измерениях Одним из преимуществ КАТ является ее распространенность Так, к середине 90 х годов количество сканеров, используемых в амери канских больницах превысило 10000 Новые технологии помогли разре шить некоторые из проблем, связанных с этим методом Так, например, временное разрешение, определяемое скоростью фотозатвора, составляло около 1 сек, отчего динамические процессы (даже биение сердца) получа лись "смазанными" Но уже разработаны сверхбыстрые КАТы с такой ско ростью обработки, что смазанные ранее картины теперь прояснились

Функциональный ЯМР :-. •*••

ПЭТ

Os

е

о

О U

8

0) О

ПЭТ-сканеры (Позитронно-Эмиссионная трансаксиальная Томография) отличаются от КАТ-сканеров тем, что в них используются детекторы, об­наруживающие в кровотоке радиоактивные частицы Активным участкам мозга нужен больший поток крови, поэтому в рабочих зонах скапливается больше радиоактивного "красителя" Излучение этого красителя можно преобразовать в изображение карты В когнитивной нейропсихологии при­менение ПЭТ-сканеров было особенно плодотворным Впервые ПЭТ-ска­неры в когнитивной психологии применили Ярл Рисберг и Дейвид Ингвар из Ландского университете в Швеции (см Lassen, Ingvar, and Skmhoj, 1979) в сотрудничестве со Стивом Пересеном, Майклом Познером, Мар­кусом Рейклем и Энделом Тульвингом (см Posner et al, 1988) Эта техно­логия дала некоторые очень интересные результаты, но широкого распро­странения в исследовательских целях не получила из-за очень высокой стоимости оборудования и длительного времени записи изображения (сей­час это около 20 сек)

В ранних исследованиях с ПЭТ для измерения локального церебраль­ного кровотока испытуемому делалась ингаляция ксенона-133, который играл роль красящего вещества Рисберг и Ингвар успешно применили золото 195м, вводимое внутривенно С таким красителем всего ^а несколько секунд можно получиь "карты" с высоким разрешением (Risberg, 1987, 1989, Tulvmg, 1989a, 1989b), что дает исследователю значительно больше возможностей для сбора когнитивных данных

Особый интерес для когнитивных психологов представляет использо­вание паттернов кортикального кровотока в исследованиях памяти Пос­ледние несколько лет Тульвинг разрабатывает теорию памяти, где посту­лируются два особых ее вида эпизодическая и семантическая, или память на личные события и память на общие знания соответственно В одном из экспериментов (Tulvmg, 1989a) испытуемого просили молча подумать о некотором эпизодическом (личном) событии и затем подумать о чем-либо общем Исследование проводилось на системе с высоким разрешением Cortexporer 256-HR, разработанной Рисбергом В качестве красителя ис­пользовалось радиоактивное золото с периодом полураспада всего ЗОсек, небольшое количество которого вводили в кровь испытуемого За крово­током следили, измеряя количество красителя примерно через 7-8 сек после инъекции Количество красителя в каждой зоне измерялось батаре­ей из 254 околочерепных детекторов гамма-излучения, плотно окружав­ших голову испытуемого Каждым детектором сканировалась зона при­мерно в 1 см², и в результате получалась "цветная" двухмерная карта мозга, состоящая из 3000 элементов Некоторые измерения проводились за период 2 4 сек и визуализировались с помощью соответствующих ком­пьютерных преобразований

На такой карте можно видеть общие различия паттернов кровотока, а именно - нервной активности различных областей мозга Прежде всего заметно, что воспроизведение эпизодов (личных событий) сопровождает­ся большей активацией передней доли коры мозга, а воспроизведение се­мантических (общих знаний) - большей активацией задних областей моз­га Это сырые данные и нужно еще поработать, прежде чем можно будет сделать определенные теоретические утверждения, однако мы можем сме­ло сказать, что в эпизодической и семантической системах памяти дей-

Методы нейрофизиологии 541

ствуют различные мозговые процессы, протекающие в различных участ­ках мозга. Отсюда, в свою очередь, следует, что у нас может быть нес­колько систем памяти. Эти наблюдения согласуются с результатами изу­чения патологий при мозговых поражениях с последующей потерей эпизо­дической памяти (подробно см в: Milner, Petrides, and Smith, 1985; Sc-hacter, 1987).

Другую попытку установить прямую связь между когнитивными про­цессами и активностью зон мозга предприняли Познер, Петерсен и их коллеги в МакДоннелловском Центре Высших Мозговых Функций при Вашингтонском университете; они провели ряд важных экспериментов по обработке слов нормальным здоровым мозгом. При помощи ПЭТ-сканеров Петерсен и др. (1988) изучали кровоток в мозге испытуемых, которым впрыскивали радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада. В одном из эксперментов этой группы было четыре этапа: (Остадия по­коя; (2)появление отдельного слова на экране; (З)чтение этого слова вслух и (4)генерация примера употребления каждого слова. У каждого из этих этапов была своя собственная визуальная "роспись".

Когда испытуемый в этих экспериментах глядел на слово на экране, активировалась затылочная зона коры; когда он слышал слово, активиро­валась центральная часть коры, когда произносил - активировались мо­торные зоны, а когда его просили назвать слово, связанное с данным (на­пример, если появлялось слово пирожное, испытуемый должен был на­звать подходящий глагол, например, есть), наиболее активной была ассо­циативная зона, но наблюдалась также и общая активность коры.

Хотя техника ПЭТ находится еще в начале своего развития, в будущем она, видимо, будет совершенствоваться. Кроме того, вероятно появятся и другие технологии. Даже на этом этапе первые результаты уже оказали значительное влияние на когнитивную психологию и связанные с ней на­уки. Например, вопрос локализации функций мозга, на котором столь широко настаивали френологи, может заслуживать некоторого доверия, хотя я потороплюсь добавить, что методы и общая теория френологии не могут рассчитывать на научное признание! Не вызывает сомнения и то, что многие функции мозга требуют совместной работы множества различ­ных его зон. Однако, первые впечатляющие исследования подтверждают, что локальная специфичность свойственна на удивление многим видам активности, связанным со сложными когнитивными задачами (некоторы­ми видами языковой обработки или процессами внимания). Обнаружи­лось, например, что когда мы направляем внимание на реальные слова, такие как читаемый вами сейчас текст, активируются определенные зад­ние области мозга. Однако, бессмысленные слова эти центры не активиру­ют. Кроме того, когда испытуемых просят проиллюстрировать употребле­ние существительного (например, молотокЦударять) или отнести его к определенному классу, у них активируются определенные передние или височные зоны (см. McCarthy et al., 1993; Petersen et al., 1990; Petersen and Fiez, 1993; Posner, 1992; Posner et al., 1994).

ПЭТ и внимание

Техника построения образов функционирования мозга (в основном это ПЭТ) широко используется в современных исследованиях внимания, и Приложение

542

хотя невозможно рассказать обо всех современных исследованиях (или даже дать некоторый "срез": столь обширны данные в этой области), мы попытаемся окинуть взглядом некоторые из работ, проведенных ведущи­ми учеными в этой важной сфере нейрокогнитивных исследований. Суть метода ПЭТ мы объясняли выше, но вкратце повторим, что она состоит в измерении величины кровотока в мозге, интенсивность которого оценива­ется по наличию радиоактивного "красителя". Поскольку метаболизм ра­ботающего мозга требует подпитки, он потребляет больше крови. За эти­ми процессами следят датчики радиоактивности, данные от которых пре­образуются компьютером в "географическую" карту коры мозга, по кото­рой можно определить "горячие точки" его отделов, где сосредоточено больше крови.

Латеральная поверхность

Срединный разрез

Левое полушарие

Правое полушарие

20 mm

представлялось в слуховом коде. Другие зоны мозга "перехватывали" эту активность и тогда эти пациенты могли сказать, что это за слово. Исследо­вания мозга при помощи ПЭТ указывают также на то, что в определенных типах внимания задействованы также другие зоны, что отражено на Рис. А2.

Нейрокогнитология, называемая также нейропсихологией¹ сложилась из неврологии и когнитивной психологии. Ее определяют как "исследова­ния на стыке неврологии и когнитивной психологии, особенно теорий па­мяти, ощущения и восприятия, решения задач, языковой обработки, мо­торных и познавательных функций".

Современные исследования нейрокогнитологии памяти занимаются вычерчиванием кривых топографии мозга, прослеживанием "следов" па­мяти и определением нервных изменений в мозге, связанных с формиро­ванием и изменением памяти. В этих исследованиях используются опи­санные выше технологии построения образов работы мозга (например, ПЭТ, ЯМР, ЭЭГ), а также электрическое зондирование мозга (например, минутная электрическая стимуляция с целью вызова воспоминаний), вве­дение химических веществ и препаратов, влияющих на передачу нервных импульсов в синапсах (например, фармакологических средств лечения и изучения памяти, способных ее улучшать или ухудшать) и изучение пато­логических случаев необычных расстройств памяти (см. вставку ниже).

Когда составляется карта областей мозга, связанных с теми или ины­ми видами и функциями памяти, учитывается непосредственная роль трех отделов мозга, хотя следует подчеркнуть, что функции памяти разбросаны по всему мозгу. Как показано на Рис. A3, такими отделами являются: ко­ра - наружная поверхность мозга, которая предположительно участвует в познавательной деятельности высшего порядка (мышлении, решении за­дач и запоминании), мозжечок - структура, похожая на цветную капусту,

Несколько лет назад пациент К.В„ шш какую песню он сейчас спел и работавший музыкальным лродк> т.п.) исчезали вскоре после со&ьь сером на Би-Би-Си, заболел ред- тия. По словам его жены» "он ока-кой формой энцефалита (заболе- залея навсегда на "стертой дорож-вания, сопровождающегося воспа- ке записи". И все же, как ни уда­лением мозга), В его случае это витально, он помнил слова песен, привело к частичной потере памя- мог дирижировать хором, и его ти> так что содержимое его крат- музыкальные способности, видимо, ковременной памяти сохранялось сохранились. Похоже, что в одних всего несколько секунд. Его bôc* частях мозга хранятся факты (иш* поминания об обычных событиях на, образы и события), а в других-(например, что он ел на завтрак, процедуры (как что-либо делать).

Нейрокогнитология - американский эквивалент европейского термина ней­ропсихология - Прим ред Приложение

544

Благодаря замечательной новой технике удается лучше узнать, как устроен мозг человека. Еще интереснее для когнитивных психологов от­крытие функциональных свойств мозга, их связей между собой, а также с памятью, восприятием, эмоциями, языком и другими когнитивными функ­циями. Психологи давно выдвинули предположение о существовании двух типов памяти - кратковременной и долговременной, что подтверждалось множеством психологических данных. Теперь, однако, появились свиде­тельства, основанные на структурных и функциональных характеристиках мозга.

Становится также очевидным, что сенсорная информация направляет­ся в кору вскоре после ее получения. Здесь среди нейронов образуются временные связи, сохраняющиеся только короткое время, но достаточное для совершения таких несложных действий, как запоминание телефонно­го номера обычной длины. Чтобы эти впечатления стали постоянными, должен произойти процесс долговременного потенцирования (ДП).

Кора мозга

Обонятельная луковица

Мин,

Мозжечок Спинной мозг

Он состоит в том, что у нервных клеток, подвергнутых быстро повторяю­щейся стимуляции, способность реагирования расширяется на продолжи­тельное время. Процесс ДП наблюдался в синапсах гиппокампа у млеко­питающих. Одна из теорий предполагает, что стимулированные таким об­разом дендриты пускают новые ростки, что способствует долговременно­му запоминанию. Полагают, что долговременные декларативные воспоми­нания начинают свою жизнь тогда, когда кора мозга посылает информа­цию в гиппокамп; при этом память усиливается благодаря наличию быст­рого и непрерывно повторящегося возбуждения этой нервной цепи в коре. Усиление долговременной памяти может достигаться волевым актом, та­ким как повторение телефонного номера снова и снова, или в некоторых случаях через непроизвольные действия, как например в случае травмати­ческого или эмоционального переживания. Так, мы можем очень живо вспомнить подробности автомобильной аварии без сознательного повторе­ния этого события.

Суммируя, скажем, что хотя о нейробиологии памяти предстоит уз­нать еще многое, твердо установлено несколько вещей. Физические собы­тия внешнего мира, такие как энергия света или звука, обнаруживаются сенсорной системой, преобразуются в нервные импульсы и передаются в мозг. Тамани проходят начальный анализ и одновременно направляются

Декларативное знание и процедурное знание

До сих пор мы рассматривали по­нятие "знания'' так, как если 6bi оно относилось только к информа­ции о мире и его свойствах. Фило­софы шшвают его декларативным знанием В там смысле, что у йас есть знание о достоверности дек­ларативных высказываний. Если я спрошу вас о значении следующе­го предложения: "Я положил свою куртку в ванну, поскольку она была жжрооЛ то вы будете знать, то есть у вас Четь анаше, что "она" в этой предложений относится к куртке* a не к еапяе. Вы знаете* к чему относится он, потому, что у вас есть общирные доанвд о môk-рых куртках, ваннах* человеческом поведении» и-возможна о некото­рых людях, т желающих, чтобы мокрые куртки оказывались на их драгоценной мебели. С другой сто­роны, если бы вы бы ля в горящем здании и готовились сделать сумас­шедший рывок сквозь бушующее пламя к спасейию> тогда она впол­не естественно* могло бы относить-

ся к ванной. Однако, традицион­ная эпйс-темояогйя> область фшю-софии> изучающая природу> про­исхождение и пределы человечес­кого .анаййш, проводят различие Между знанием что (декларатив­ным) и знанием как (процедур­ным). Похоже, что некоторые виды юмора основаны на том, что­бы "поймать" Человека, заставив его сначала поверить в одно> а за­тем удивить истинным намерени­ем. Один ш наиболее известных примеров взят у Гручо Маркса, ко­торый сказал как-то: "Я подстре­лил слона в своей пижаме\,. Что он там делал - я уже никогда не узнаюР В примере с ванйой мы знаем* что она используется для купания к иногда для сушкн на­ших курток, но мы также шзем, как Принимать ванну. Такое зна­ние процедурное) совершенно qt-лнчно от знания декларативного. Поэтому во всякую объемлющую теорию репрезентации знаний баж-но включать обе формы знания.

Приложение 546

в другие центры, включая область гиппокампа, где, кроме прочих функ­ций, оценивается их эмоциональное содержание. Этот след (его называют энграммой) направляется далее в кору и'другие места, где происходит активация нейрохимических соединений, приводящая иногда к образова­нию следа постоянной памяти, так что при восприятии того же самого или сходного сенсорного впечатления этот след может быть активирован.