Проблема привязки - Binding problem

Проблема связывания относится к двум проблемам восприятия , используемым в нейробиологии , когнитивной науке и философии разума .

Проблема сегрегации (BP1) - это практическая вычислительная проблема, касающаяся механизмов, которые позволяют мозгу разделять сенсорные входы, такие как цвет или звук, между различными объектами в окружающей среде. Например, мозг обычно способен правильно определять, какой цвет связан с каждым объектом, который может видеть человек.

Проблема сочетания (BP2) - это проблема того, как объекты, фон и абстрактные или эмоциональные особенности объединяются в единый опыт.

Разница между этими двумя проблемами не всегда ясна, и исторические исследования часто неоднозначны в отношении того, решает ли оно проблему сегрегации или проблемы сочетания.

Проблема сегрегации

Определение

Проблема сегрегации, также известная как проблема связывания 1 (BP1), - это проблема того, как мозг разделяет элементы в сложных паттернах сенсорного ввода, чтобы они распределялись по дискретным «объектам».

Джон Рэймонд Смитис определил BP1 следующим образом: «Каким образом нейронные сети создают представление информации о том, что существует один-единственный объект« снаружи », а не просто набор отдельных форм, цветов и движений?» Ревонсуо называет это проблемой «привязки к стимулу» - сортировки стимулов. Хотя обычно ее называют проблемой привязки, вычислительная проблема, возможно, связана с дискриминацией. Таким образом, по словам Каналеса и др.: «Связать воедино все особенности одного объекта и отделить их от характеристик других объектов и фона». Бартельс и Зеки описывают это как «определение того, что это один и тот же (или другой) стимул, который активирует разные клетки в данной визуальной области или в разных визуальных областях».

Экспериментальная работа

Большая часть экспериментальных работ посвящена зрению, где известно, что люди и другие млекопитающие обрабатывают различные аспекты восприятия , разделяя информацию об этих аспектах и ​​обрабатывая их в различных областях мозга. Например, Бартельс и Зеки показали, что разные области зрительной коры специализируются на обработке различных аспектов цвета , движения и формы . Утверждается, что этот тип модульного кодирования может привести к неоднозначности . Когда люди рассматривают сцену, содержащую синий квадрат и желтый круг, одни нейроны сигнализируют в ответ на синий, другие - в ответ на желтый, третьи - в виде квадрата или круга. Здесь проблема связывания заключается в том, как мозг правильно сочетает цвет и форму, т.е. указывает, что синий сочетается с квадратом, а не с желтым.

Теория синхронизации

Популярная гипотеза, возможно, впервые предложенная Милнером, заключалась в том, что особенности отдельных объектов связаны / разделяются посредством синхронизации активности различных нейронов коры головного мозга. Теория, называемая синхронным связыванием (BBS), заключается в том, что когда два функциональных нейрона срабатывают синхронно, они связаны, а когда они срабатывают не синхронно, они не связаны. Эмпирическая проверка этой идеи получила импульс, когда фон дер Мальсбург предположил, что привязка функций создает особую проблему, которая не может быть решена просто за счет частоты срабатывания сотовой связи. Ряд исследований показал, что действительно существует взаимосвязь между ритмичным синхронным возбуждением и привязкой функций. Это ритмическое возбуждение, по-видимому, связано с собственными колебаниями соматических потенциалов нейронов , обычно в гамма-диапазоне, близком к 40 Гц. Позитивные аргументы в пользу роли ритмической синхронности в разрешении сегрегационной проблемы связывания объекта и функции (BP1) были резюмированы Сингером. Несомненно, существует множество доказательств того, что синхронизация нервных импульсов является частью реакции на зрительные стимулы.

Однако есть несоответствия между результатами, полученными в разных лабораториях. Более того, ряд недавних обозревателей, в том числе Шадлен, Мовшон и Меркер, выразили обеспокоенность. Тиле и Стоунер обнаружили, что перцептивное связывание двух движущихся паттернов не влияет на синхронизацию нейронов, отвечающих на эти два паттерна. В первичной зрительной коре Dong et al. обнаружили, что то, реагируют ли два нейрона на контуры одинаковой или разной формы, не влияет на нейронную синхронность. Ревонсуо сообщает о подобных отрицательных результатах.

Шадлен и Мовшон вызывают ряд сомнений как в теоретической, так и в эмпирической основе идеи сегрегационного связывания посредством временной синхронности. Во-первых, неясно, действительно ли связывание представляет собой особую вычислительную проблему типа предложенной фон дер Мальсбургом. Во-вторых, неясно, как синхронность может играть особую роль с точки зрения локальной вычислительной логики. В-третьих, трудно представить себе ситуацию, в которой частота пресинаптических импульсов и синхронность могут быть эффективно интерпретированы независимо постсинаптической клеткой, поскольку они взаимозависимы в приемлемых временных масштабах.

Другой вопрос, который был поднят, заключается в том, что в стандартных временных рамках для нейронального возбуждения очень немногие отдельные фазы синхронности могут быть различимы даже в оптимальных условиях. Однако это будет иметь значение только в том случае, если одни и те же пути потенциально подпитываются пиковыми (сигнальными) цепями в нескольких фазах. В отличие от этого, Сет описывает робота на основе искусственного мозга, который демонстрирует несколько отдельных, широко распределенных нейронных цепей, срабатывающих на разных фазах, предполагая, что синхронность может помочь в установлении дискретных связанных с объектом цепей повторного входа в систему, подверженную случайным временным воздействиям. стимулы.

Гольдфарб и Трейсман указывают на то, что логическая проблема, по-видимому, возникает для привязки исключительно через синхронность, если есть несколько объектов, которые разделяют одни из своих свойств, а другие нет. При просмотре дисплея с разноцветными буквами внутреннее представление красного X, зеленого O, красного O и зеленого X не может быть объяснено исключительно синхронизацией сигналов для красного цвета и формы X, например. В лучшем случае синхронность может облегчить сегрегацию, поддерживаемую другими средствами (как признает фон дер Мальсбург).

Ряд нейропсихологических исследований показывают, что ассоциация цвета, формы и движения как «характеристик объекта» - это не просто вопрос связывания или «связывания». Purves и Lotto предоставляют обширные доказательства наличия сигналов обратной связи сверху вниз, которые гарантируют, что сенсорные данные обрабатываются как характеристики (иногда ошибочно) постулируемых объектов на ранней стадии обработки. Во многих иллюзиях данные выглядят так, как если бы они были заранее сознательно скорректированы в соответствии с ожиданиями объекта. Пилишин также подчеркивал, как мозг, кажется, предвосхищает объекты, которым должны быть назначены признаки и которым приписывается продолжающееся существование, даже если такие признаки, как цвет, меняются.

Теория интеграции функций

В своей теории интеграции особенность , Трейсман предположил , что связывание между особенностями опосредуется связей Характерные особенности в общедоступное место. Психофизические демонстрации сбоев привязки в условиях полного внимания подтверждают идею о том, что привязка осуществляется с помощью общих тегов местоположения.

Смысл этих подходов состоит в том, что сенсорные данные, такие как цвет или движение, обычно не могут существовать в «нераспределенной» форме. Для Меркера: «Красный цвет красного шара не плавает бестелесным в абстрактном цветовом пространстве в V4». Если информация о цвете, назначенная точке в поле зрения, преобразуется напрямую, посредством реализации некоторой формы логики высказываний (аналогичной той, которая используется в компьютерном дизайне), в информацию о цвете, назначенную «идентичности объекта», постулируемой нисходящим сигналом как было предложено Purves и Lotto (например, здесь синий + объект 1 здесь = объект 1 синий) не может существовать специальной вычислительной задачи «связывания вместе» с помощью таких средств, как синхронизация. (Хотя фон дер Мальсбург ставит проблему в терминах связывающих «пропозиций», таких как «треугольник» и «вершина», они, по отдельности, не являются пропозициональными).

Каким образом сигналы в мозгу приобретают пропозициональное содержание или значение - это гораздо более серьезная проблема. Однако и Марр, и Барлоу предположили, основываясь на том, что было известно о нейронных связях в 1970-х годах, что окончательная интеграция характеристик в восприятие, как ожидается, будет напоминать то, как слова действуют в предложениях.

Роль синхронности в сегрегационном связывании остается спорной. Меркер недавно предположил, что синхронность может быть особенностью областей активации в мозгу, которая связана с «инфраструктурной» особенностью вычислительной системы, аналогичной повышенной потребности в кислороде, показанной с помощью МРТ. Очевидные специфические корреляции с раздельными задачами могут быть объяснены на основе взаимосвязанности вовлеченных областей. Как возможное проявление потребности уравновешивать возбуждение и торможение с течением времени, можно было бы ожидать, что оно будет связано с реципрокными возвратными цепями, как в модели Seth et al. (Меркер приводит аналогию свистка звукового усилителя, получающего собственный выходной сигнал.)

Если выяснится, что синхронизированная активность играет не более чем инфраструктурную роль в сегрегативной вычислительной «привязке», возникает вопрос, нужно ли нам другое объяснение. Смысл как анализа Шадлена и Мовшона, так и анализа Меркера, по-видимому, состоит в том, что в этом смысле не может быть особой проблемы связывания. Проблема может быть просто неотъемлемой частью более общей проблемы вычислительной логики, используемой нейронами, или того, что часто называют «нейронным кодом». В частности, может быть неуместным анализировать связывание в восприятии без учета того, как функции связаны в памяти, как указали Циммер и его коллеги, и как это влияет на способ, которым мозг предвосхищает объекты.

Проблема комбинации

Определение

Смитис определяет проблему комбинирования, также известную как проблема связывания 2 (BP2), как «Как механизмы мозга на самом деле конструируют феноменальный объект?». Ревонсуо приравнивает это к « связыванию сознания », подчеркивая наличие феноменального аспекта. Как исследовал Ревонсуо в 2006 году, есть нюансы отличий, выходящие за рамки основного подразделения BP1: BP2. Смитис говорит о конструировании феноменального объекта («локальное единство» для Ревонсуо), но такие философы, как Декарт, Лейбниц, Кант и Джеймс (см. Брук и Раймонт), обычно интересовались более широким единством феноменального опыта («глобальное единство» для Revonsuo), которые, как показывает Бейн, могут включать в себя такие разнообразные функции, как просмотр книги, прослушивание мелодии и чувство эмоции. Дальнейшее обсуждение будет сосредоточено на этой более общей проблеме: как сенсорные данные, которые могли быть разделены, например, на «синий квадрат» и «желтый круг», должны быть повторно объединены в единый феноменальный опыт синего квадрата рядом с желтый круг, а также все другие особенности их контекста. Существует широкий диапазон взглядов на то, насколько реально это «единство», но наличие медицинских состояний, при которых оно кажется субъективно нарушенным или, по крайней мере, ограниченным, предполагает, что оно не является полностью иллюзорным.

История

Ранние философы, такие как Декарт и Лейбниц, отмечали, что кажущееся единство нашего опыта - это качественная характеристика «все или ничего», которая, похоже, не имеет эквивалента в известных количественных характеристиках, таких как близость или сплоченность, составной материи. Уильям Джеймс в девятнадцатом веке рассмотрел способы объяснения единства сознания с помощью известной физики и не нашел удовлетворительного ответа. Он ввел термин «комбинированная проблема» в конкретном контексте «теории пыли и разума», в которой предполагается, что полноценный человеческий сознательный опыт строится из прото- или микропереживаний таким же образом, как и материя. из атомов. Джеймс утверждал, что такая теория была непоследовательной, поскольку нельзя было дать причинно-физического объяснения того, как распределенные прото-опыты будут «сочетаться». Вместо этого он предпочитал концепцию «совместного сознания», в которой есть одно «переживание A, B и C», а не комбинированные переживания. Подробное обсуждение последующих философских позиций дано Бруком и Реймонтом (см. 26). Однако они обычно не включают физических интерпретаций. Джеймса по-прежнему беспокоило отсутствие «единственной физической вещи», кроме атома, которая могла бы быть совознательной (A, B и C), вторя Лейбницу.

Уайтхед предложил фундаментальную онтологическую основу для отношений, согласующихся с идеей совместного сознания Джеймса, в которой многие причинные элементы совместно доступны или «присутствуют» в одном событии или «событии», составляющем единый опыт. Уайтхед не привел физических подробностей, но идея присутствия сформулирована в терминах причинной конвергенции в локальном взаимодействии, согласующемся с физикой. В чем Уайтхед выходит за рамки чего-либо официально признанного в физике, так это в «разбивке» причинных отношений на сложные, но дискретные «случаи». Даже если такие случаи можно определить, подход Уайтхеда по-прежнему оставляет Джеймсу трудность найти место или участки причинной конвергенции, которые имели бы нейробиологический смысл для «совместного сознания». Участки конвергенции сигналов действительно существуют по всему мозгу, но есть опасение, чтобы не изобретать заново то, что Деннетт называет декартовым театром, или единым центральным местом конвергенции в форме, предложенной Декартом.

Центральная «душа» Декарта теперь отвергнута, потому что нейронная активность, тесно связанная с сознательным восприятием, широко распространена по всей коре головного мозга. Остальные варианты, по-видимому, представляют собой либо отдельное участие нескольких распределенных причинно-конвергентных событий, либо модель, которая не связывает феноменальный опыт с каким-либо конкретным локальным физическим событием, а скорее с некоторой общей «функциональной» способностью. Какая бы интерпретация ни была принята, как указывает Ревонсуо, нет единого мнения о том, с каким структурным уровнем мы имеем дело - будь то клеточный уровень, уровень клеточных групп как «узлов», «комплексов» или «сборок» или широко распределенных сетей. Вероятно, существует единственное общее мнение о том, что это не уровень всего мозга, поскольку есть свидетельства того, что сигналы в определенных первичных сенсорных областях, таких как область V1 зрительной коры (в дополнение к моторным областям и мозжечку), не передаются. вносят непосредственный вклад в феноменальный опыт.

Современные теории

Деннетт предположил, что наше ощущение того, что наши переживания представляют собой единичные события, иллюзорно, и что вместо этого в любой момент времени существует «несколько черновиков» сенсорных паттернов в нескольких местах. Каждый будет охватывать лишь часть того, что, как нам кажется, мы переживаем. Возможно, Деннет утверждает, что сознание не едино и нет феноменальной проблемы связывания. Большинство философов затрудняются с этой позицией (см. Бейн). Точка зрения Деннета, возможно, согласуется с данными экспериментов по вспоминанию и слепоте к изменению, которые претендуют на то, чтобы показать, что наш опыт гораздо менее богат, чем мы думаем, - то, что было названо Великой иллюзией. Однако немногие другие авторы предполагают существование нескольких частичных «черновиков». Более того, также на основе экспериментов по вспоминанию, Ламме оспорил идею о том, что богатство иллюзорно, подчеркнув, что феноменальный контент не может быть отождествлен с контентом, к которому есть когнитивный доступ.

Деннет не связывает проекты с биофизическими событиями. Эдвардс и Севуш в конкретных биофизических терминах ссылаются на множественные места причинной конвергенции. С этой точки зрения сенсорные сигналы, которые необходимо объединить в феноменальный опыт, полностью доступны на каждом из нескольких участков. Чтобы избежать непричинной комбинации, каждый сайт / событие помещается в отдельное нейрональное дендритное дерево. Преимущество состоит в том, что «совместимость» вызывается именно там, где конвергенция происходит нейроанатомически. Недостатком, как и для Деннета, является противоречащая интуиции концепция множественных «копий» опыта. Точная природа эмпирического события или «события», даже если оно носит локальный характер, также остается неопределенной.

Большинство теоретических основ объединенного богатства феноменального опыта придерживаются интуитивной идеи о том, что опыт существует как единая копия, и опираются на «функциональные» описания распределенных сетей ячеек. Баарс предположил, что определенные сигналы, кодирующие то, что мы переживаем, входят в «глобальное рабочее пространство», в котором они «транслируются» на многие сайты в коре головного мозга для параллельной обработки. Dehaene, Changeux и его коллеги разработали подробную нейроанатомическую версию такого рабочего пространства. Тонони и его коллеги предположили, что уровень богатства опыта определяется самым узким информационным «узким местом» интерфейса в самой большой подсети или «комплексе», который действует как интегрированная функциональная единица. Ламме предположил, что сети, поддерживающие реципрокную передачу сигналов, а не те, которые просто участвуют в передаче сигналов с прямой связью, поддерживают опыт. Эдельман и его коллеги также подчеркнули важность повторной передачи сигналов. Клиреманс подчеркивает, что мета-репрезентация является функциональной сигнатурой сигналов, способствующих сознанию.

В общем, такие сетевые теории не являются явными теориями того, как сознание объединяется или «связано», а скорее теориями функциональных областей, в которых сигналы вносят вклад в объединенный сознательный опыт. Беспокойство о функциональных областях - это то, что Розенберг назвал граничной проблемой; трудно найти однозначный отчет о том, что должно быть включено, а что исключено. Тем не менее, это консенсусный подход.

В сетевом контексте роль синхронности использовалась как решение феноменальной проблемы связывания, а также вычислительной проблемы. В своей книге «Удивительная гипотеза» Крик, кажется, предлагает решение проблемы BP2 в той же степени, что и BP1. Даже фон дер Мальсбург вводит подробные вычислительные аргументы о привязке характеристик объекта с замечаниями о «психологическом моменте». Группа Зингера, похоже, также заинтересована в роли синхронности в феноменальном осознании не меньше, чем в вычислительной сегрегации.

Очевидная несовместимость использования синхронизации для разделения и объединения может быть объяснена последовательностью ролей. Однако Меркер указывает на то, что кажется противоречием в попытках решить феноменальную проблему унификации (BP2) в терминах функциональной (фактически означает вычислительной), а не локальной биофизической области в контексте синхронности.

Функциональные аргументы в пользу роли синхронности на самом деле подкреплены анализом местных биофизических событий. Однако Меркер указывает, что объяснительная работа выполняется путем последующей интеграции синхронизированных сигналов в постсинаптические нейроны: «Однако никоим образом не ясно, что следует понимать под« связыванием посредством синхронности », кроме порогового преимущества. обеспечивается синхронностью только в местах конвергенции аксонов на отдельные дендритные деревья ... »Другими словами, хотя синхронность предлагается как способ объяснения связывания на распределенной, а не на конвергентной основе, обоснование основывается на том, что бывает при схождении. Сигналы для двух функций предлагаются как связанные синхронностью, поскольку синхронность влияет на нисходящее конвергентное взаимодействие. Казалось бы, любая теория феноменального связывания, основанная на такой вычислительной функции, следует тому же принципу. Феноменальность повлекла бы за собой сходимость, если бы это сделала вычислительная функция.

Хотя BP1 и BP2 различны, это не должно отменять предположение, неявное во многих из процитированных моделей, что вычислительные и феноменальные события, по крайней мере, в какой-то момент в последовательности событий, каким-то образом параллельны друг другу. Остается сложно определить, что это может быть за путь. Анализ Меркера предполагает, что либо (1) как вычислительные, так и феноменальные аспекты связывания определяются конвергенцией сигналов на нейронных дендритных деревьях, либо (2) наши интуитивные представления о необходимости «связывания» в смысле «удержания вместе» в обоих неверно понимаются вычислительные и феноменальные контексты. Возможно, мы ищем что-то лишнее, в чем нет необходимости. Меркер, например, утверждает, что гомотопическая связь сенсорных путей выполняет необходимую работу.

Природа и решение проблемы BP2 остаются предметом разногласий.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Циммер, HD (Хьюберт Д.); Mecklinger, Axel .; Линденбергер, Ульман. (2006). Справочник по связыванию и памяти: перспективы когнитивной нейробиологии . Оксфорд; Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-852967-5. OCLC  63702616 .