You are currently viewing Modellek a fejben?

Modellek a fejben?

A kognitív idegtudomány többféle nézőpontot ötvöz az agyműködés megértése céljából. Az idegtudomány mibenléte nem kérdés, nyilvánvaló, hogy az idegrendszer biológiájával kapcsolatos vizsgálatokat foglalja össze, hozza egy ernyő alá. Az már talán kevésbé közismert, hogy mire is utal a „kognitív” szó ebben a kifejezésben. A kognitív pszichológia vagy talán inkább kognitív tudomány születése szorosan kötődik az információelmélet megjelenéséhez és tulajdonképpen abból az alapfelvetésből indul ki, hogy az agy információfeldolgozó rendszer, ezért az információelmélet fogalmai, a hozzá fűződő matematikai módszerek hasznosak az agy működésének megértésében. A kognitív idegtudomány módszerei által ezúttal a számok leképezését és a bizonytalan környezetek kiismerését lehetővé tévő folyamatokkal kapcsolatos ismereteink bővültek.

Hogyan bukkant fel a kognitív tudomány?

A kognitív idegtudomány alapjául a kognitív tudomány szolgál, ami elsősorban a pszichológia és a nyelvészet területeiről nőtte ki magát. A kialakulásában alapvető jelentőségű volt, hogy az amerikai tudományos életben a behaviorista pszichológia domináns helyzetbe került. Az akadémiai pozíciókban lévő pszichológusok túlnyomó többsége behaviorista volt, ami azt jelentette, hogy a vizsgálataik középpontjában a viselkedés volt, az elmében zajló folyamatokkal egyáltalán nem foglalkoztak. Az elmében zajló jelenségeket egyrészt nem tartották hitelesen vizsgálhatónak, másrészt azt gondolták, hogy a megfigyelhető viselkedéshez képest másodlagosak, nem is kell figyelni rájuk, hogy megérthessük az emberek és állatok működését.

A behaviorista pszichológusok azt vallották, hogy az élőlények működése reflexeken alapul, amik a tanulás révén módosíthatók, így jön létre az élőlényekre jellemző rugalmas viselkedés. Az elképzelésnek azonban számos korlátja vált nyilvánvalóvá a 40-es, 50-es években, és így tagadhatatlanná vált, hogy az elmében zajló folyamatokat nem lehet kihagyni, ha meg akarjuk érteni a viselkedést. A behaviorizmussal szembehelyezkedő pszichológusok mindenképpen jelezni akarták, hogy ők már tudatában vannak ennek a ténynek. Az irányzat egyik úttörője, George Miller azt mondta, hogy a „mentális pszichológia” kifejezés túl redundánsnak hatott, ezért végül a „kognitív pszichológia” megnevezés mellett döntöttek. A kognitív tulajdonképpen ugyanazt jelenti, mint a mentális, csak egy régies kifejezés, amit a köznyelvben akkor egyáltalán nem használtak.

Egy klasszikus kísérlet azt mutatta, hogy a kísérleti állatok leképezik a környezetüket és az abban bekövetkező változásokra így azonnal a megfelelő módon tudnak reagálni: egy ismerős labiritusban a megszokott útvonal lezárása után azonnal a legrövidebb utat választják a táplálék megszerzéséhez (Forrás: crumplab.github.io).

A kognitív pszichológiát azonban nem csak a behaviorizmussal való szembenállás jellemzi, hanem az akkoriban kibontakozó információelmélet is. Claude Shannon munkája révén a számítógépek működése, az információfeldolgozás matematikai alapokra helyeződött. Neumann János pedig hamarosan megfogalmazta azt az elképzelést, hogy az agy is a számítógépekhez hasonlóan működik. Miller és mások az információelmélet fogalmai segítségével igyekeztek megmagyarázni az emberi viselkedést, ami számos esetben hozott sikert. Ez az irányzat lett tehát a kognitív pszichológia, amihez hamarosan egy sor további terület csatlakozott, melyek szintén az agyműködést, vagy a viselkedést vizsgálták (nyelvészet, mesterséges intelligencia, idegtudomány, antropológia, filozófia), így jött létre a kognitív tudomány.

A kognitív tudomány tehát lényegében az információelmélet vívmányait alkalmazza az emberi viselkedés hátterében álló mentális folyamatok megértéséhez. A 90-es években aztán az agyi képalkotó eljárások megjelenésével lehetőség nyílt rá, hogy a kognitív pszichológiai kísérletek során a résztvevők agyműködését is kövessék, így alakult ki a kognitív idegtudomány. A kognitív idegtudományban manapság egyre bonyolultabb matematikai modellekkel próbálják közelíteni a kísérleti személyek viselkedését, közben az agyműködés megfigyelésével olyan jelenségeket keresnek, melyek megfeleltethetők a modell által feltételezett változóknak, folyamatoknak. Ezáltal feltehetőleg feltárhatók az agyban zajló információfeldolgozási lépések, vagyis az agy működése is.

Számok az agyban

Az információfeldolgozó rendszerek mindenképpen le kell képezzék az általuk használt információt, hiszen csak így lehetséges műveleteket végezni vele. Az agyban az információ leképezése az az idegsejteken kialakuló akciós potenciálok révén valósul meg. De vajon hogyan képezi le a számokat az agy?

Az alacsony számosságot nagyon pontosan érzékelik az emberek és az állatok. Pontosan érzékelnek például, két, három, vagy mondjuk négy darab tárgyat is, ezzel szemben a sokaságokat csak hozzávetőlegesen tudják megítélni. Ebből a megfigyelésből kiindulva egyes kutatók úgy gondolják, hogy a számosság leképezését két elkülönülő rendszer végzi. Ezek egyike a kisebb számok leképezését nagy pontossággal végzi, míg a nagyobb számosság esetében egy pontatlanabb folyamat teszi ugyanezt. Egy amerikai kutatócsoport azonban felvetette, hogy a számosságot ettől függetlenül egyetlen rendszer is leképezheti.

A számosság leképezésének alapjait az információs rendszerekben két tényező befolyásolja. Egyrészt a jelrendszer bonyolultságától függ, hogy mennyi szimbólumot kell felhasználni egy szám leképezéséhez. Ha csak egyetlen szimbólumot használunk, akkor minden szám annyi jelből áll, amekkora mennyiséget képvisel (1: I … 5: IIIII). Ha több szimbólumot használunk, akkor a számok leképezése egyszerűbb lesz (ld. arab számok), azonban a műveletek egyre bonyolultabbá válnak. Ezek miatt például a számítástechnikában a kettes számrendszer használata terjedt el. Az agyban azonban ezeken túl még az is fontos limitáció, hogy a kódolás alapjául szolgáló neurális aktivitási frekvencia csak véges határok között tud változni.

A tizenhatos számrendszer szorzótáblája két és félszer akkora, mint a tízesé (Forrás: wikimedia.commons).

Az amerikai kutatók létrehoztak egy matematikai modellt, ami mindhárom korlátot figyelembevéve jósolta az emberi résztvevők teljesítményét egy feladaton, melyben a számosság meghatározása volt a feladat. A résztvevőknek néhány száz milliszekundumra vetítettek pontokat, nekik pedig meg kellett határozni a pontok számát. A kutatók által létrehozott modell igen pontosan jósolta meg a résztvevők teljesítményét. Ebből levonható az a következtetés, hogy az agyban is a modell által specifikált módon reprezentálódnak a számok, vagyis egyetlen reprezentációs rendszer is elég lehet a számok leképezéséhez.

Bizonytalan helyzetek

Egy másik vizsgálatban az emberi döntéshozást egy folyton változó környezetben igyekeztek modellezni francia kutatók. A kísérlethez egy olyan feladatot használtak, melyben a résztvevők számokat látnak négy rubrikában egy képernyőn. A rubrikák közül választaniuk kell egyet, majd kapnak egy visszajelzést és kiderül, jól döntöttek-e. A szabályok így hamarosan kideríthetők lennének, de a kutatók által alkalmazott verzióban jóval gyakrabban változtak a szabályok, melyek meghatározták a helyes választ. A kísérleti résztvevők ettől függetlenül jól teljesítenek a feladaton, viszont azok az eddig használt modellek már kevésbé. A francia kutatók egy olyan modellt hoztak létre, amely kisebb hangsúlyt ad a korábbi tapasztalatoknak, mivel a tanulási folyamatok a szokásostól pontatlanabb módon mennek végbe benne, amennyiben a környezet nagyon változékony. A modell így az emberi résztvevőkhöz hasonlóan jól teljesített. A kutatók ráadásul egy képalkotó eljárás segítségével a résztvevők agyából regisztrált jelben is találtak a modell egyik paraméterének megfelelő szabályszerűségeket. Ez tovább támogatja az elképzelést, hogy a modell által felvetett komputációk az agyban is lezajlanak.

Ez a két vizsgálat tehát ugyanazt a megközelítést alkalmazta: a szigorúan kontrollált kísérleti helyzetben kibontakozó viselkedést matematikai modellek segítségével próbálták közelíteni. A kutatók mindkét esetben sikerrel jártak, az általuk létrehozott modellek meglehetősen pontosan jósolták a résztvevők teljesítményét, ez pedig alapot ad arra, hogy feltételezzük, a modellekben zajló folyamatok az agyban is végbemennek. Ezt még erősebben támaszthatja alá, ha a modell változóival párhuzamba állítható az agyműködésben rögzíthető szignál. Ezek a tanulmányok kiváló példái a modern kognitív idegtudomány megközelítésének. A kutatások által feltárt szabályszerűségek alapján egy nap talán a természetes közegben mutatott viselkedést is nagy pontossággal lehet majd jósolni.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2021/05. számában jelent meg.

Még több cikk a kognitív idegtudomány területéről:

Források:

https://www.nature.com/articles/s41562-020-00971-z

https://www.nature.com/articles/s41562-020-00992-8

https://www.nature.com/articles/s41562-020-00970-0

Vélemény, hozzászólás?