Theoretical Research

Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology

Research starting point
I’m briefly reading about the concept of Instinct, Innate and Natural in human brain studies, I’m interested in understanding how it has been treated in different fields:

  1. Behaviour/cognitive science: synthetic psychology, Braitenberg
  2. Mathematic: intuitive algorithm (seen as a tree, as spiral, a mental landscape), Gauss  (Twins’ perception of numbers in O. Sacks “The man who mistook his wife for a hat”, comparison with faces’ recognition)
  3. Language: generative grammar and deeper syntax, Chomsky

This research will have no scientific purpose, just inspirational.

I would like to understand better the concepts of Perception and Cognition. I read in “The man who mistook his wife for a hat” by O. Sacks how this two mental activities can be totally separated in autistic patients: they are indeed not able of any abstract thinking. This condition can suggest strategies/tools to slow down the cognitive process (to prevent information overload) and push up the perception process (more intuitive and immediate).
Perception: concrete imagination that helps to understand complexity, using for instance these stories and storytelling (explain easily a complex situation/feeling…) or music (organises easily a complex sequence)
Cognition: capacities of abstraction, generalization, concretization/specialization and meta-reasoning

Coloured and moving signals keep our attention extremely focus because these are the stimuli that engage the most human brain, TV is a classic example for that.

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Designing Calm Technology. Mark Weiser’s research

Mark Weiser’s seminal article, “The Computer for the 21st Century,” argued that “the most profound technologies are those that disappear. They weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it” (Weiser 1991:1). He called this vision “ubiquitous computing” and claimed that not only would it liberate people from the constraints of personal desktop computing but, by privileging the social and physical worlds in which we already live, it would free us from equally isolating immersive and simulated virtual reality environments (Galloway 2004a). Weiser envisioned a world in which people no longer interacted with one big desktop computer, but with hundreds of smaller computers embedded in surrounding objects.

“Designs that encalm and inform meet two human needs not usually met together. Information technology is more often the enemy of calm. Pagers, cellphones, newservices, the World-Wide-Web, email, TV, and radio bombard us frenetically. There is no less technology involved in a comfortable pair of shoes, than in a home PC. Why is one often enraging, the others frequently encalming? We believe the difference is in how they engage our attention. Calm technology engages both the center and the periphery of our attention, and in fact moves back and forth between the two.
We use “periphery” to name what we are attuned to without attending to explicitly. Ordinarily when driving our attention is centered on the road, the radio, our passenger, but not the noise of the engine. But an unusual noise is noticed immediately, showing that we were attuned to the noise in the periphery, and could come quickly to attend to it.
It should be clear that what we mean by the periphery is anything but on the fringe or unimportant. What is in the periphery at one moment may in the next moment come to be at the center of our attention and so be crucial.

A calm technology will move easily from the periphery of our attention, to the center, and back. This is fundamentally encalming, for two reasons.
First, by placing things in the periphery we are able to attune to many more things than we could if everything had to be at the center. Things in the periphery are attuned to by the large portion of our brains devoted to peripheral (sensory) processing. Thus the periphery is informing without overburdening. Second, by recentering something formerly in the periphery we take control of it. […]

We must learn to design for the periphery so that we can most fully command technology without being dominated by it. Our notion of technology in the periphery is related to the notion of affordances, due to Gibson by popularized by Norman. Technologies encalm as they empower our periphery.

This happens in two ways. First, as already mentioned, a calming technology may be one that easily moves from center to periphery and back. Second, a technology may enhance our peripheral reach by bringing more details into the periphery. This is encalming when the enhanced peripheral reach increases our knowledge and so our ability to act without increasing information overload.

[Example:] The Dangling string (Natalie Jeremijenko) increases our peripheral reach to the formerly inaccessible network traffic. While screen displays of traffic are common, their symbols require interpretation and attention, and do not peripheralize well. The string, in part because it is actually in the physical world, has a better impedance match with our brain’s peripheral nerve centers.

It seems contradictory to say, in the face of frequent complaints about information overload, that more information could be encalming. It seems almost nonsensical to say that the way to become attuned to more information is to attend to it less. It is these apparently bizarre features that may account for why so few designs properly take into account center and periphery to achieve an increased sense of locatedness.”

Designing Calm Technology, Mark Weiser and John Seely Brown, Xerox PARC, December 21, 1995

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Flow, between boredom and anxiety. Mihaly Csiksentmihalyi

Study on the awareness of time on rock climbers.

table awareness of time

The aim of a more intuitive interface is to move the task from being cause of anxiety into the flow area. In this way it should be possible to create a better balance between the user skills and the challenge they have to face to complete an activity and enjoy it.

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Fear, Love, Aggression. Valentino Braitenberg’s research

In his 1984 book ‘Vehicles, Experiments in Synthetic Psychology’ Valentino Braitenberg presents an armada of simple vehicles that consist only of sensors, motors, and wiring. Despite their simplicity these vehicles show astonishingly diverse behaviours. Braitenberg thus shows how simple neural architecture (the wiring) can produce complex behaviours in real world environments. The image on the right show how different wiring patterns of inhibitory connections result in opposite behaviours. In this context the relationship between robot/robot, robot/environment and robot/human is called in sociology “spurious”, it looks like that the robots are connected one to  the other and respond with an adaptive behaviour, instead the real cause of what they are doing is in an other dimension that can not be perceived by the scene observer.
Such simple robots are research – and demonstration – tools in the field of Computational Neuroscience, as they illustrate principles of how animal and human brains might work. They remind researchers that often not the system itself, but its interaction with its environment has crucial importance for understanding the system’s operating principles. The environment can be seen as the frame (Goffmann, Frame analisys), the context, the cultural script that gives the interpretation and try to make sense of what we perceive.

L’immagine del mondo nella testa, 2003
Notes on Braitenberg’s last book, in a map. In Italian unfortunately, the book has not been translated in english yet…

  • INTRODUZIONE
    • Si può solo sperare che quando la descrizione fisica del mondo sarà finalmente portata a compimento, si chiuda anche l’abisso tra oggettivo e soggettivo. Il mondo della vita sta diventando in misura crescente oggetto della fisica e con ciò anche quello del cervello e dei fenomeni psicologici.
    • Istinto come conseguenza del principio vivere = sopravvivere. Alla base c’è la necessità per gli organismi viventi di incorporare materia e con essa energia (ossia nutrimento) in quantità sufficiente, e che tale energia venga di volta in volta messa al servizio dell’ordine dell’organismo. Perenne contrasto tra l’ordine locale e l’entropia generale della natura.
    • Uomini e animali tendono naturalmente a formarsi un’immagine del mondo. In realtà ciò significa perfezionare l’immagine del mondo che è già in noi. Naturalmente si cercano delle regole che aiutino a capire la ragione dei processi e quando si trovano si prova piacere.
  • LO SGUARDO NEL CRISTALLO
    • Gli oggetti sono tenuti insieme da forze, più forti nel caso di un sasso più modeste nel caso di un budino.
      PER DESCRIVERE IL MONDO HO BISOGNO DELLE 3 DIMENSIONI SPAZIALI E, IN OGNI PUNTO, DELLE FORZE CHE SI ORIGINANO E DELLA DIREZIONE IN CUI AGISCONO. (intensità e direzione della forza).
      INOLTRE BISOGNA PRENDERE IN CONSIDERAZIONE IL FATTORE TEMPO. IL MUTAMENTO DELLA POSIZIONE SPAZIALE DEGLI OGGETTI NEL TEMPO SI CHIAMA MOVIMENTO.
      Doppia natura di tutte le cose: da una parte come processo periodicamente ripetuto nello spazio e nel tempo (ONDA), dall’altra come ben definita singolarità (PARTICELLA).
      Le caratteristiche macroscopiche degli elementi dipendono dalle caratteristiche delle particelle microspopiche (un filo di erba gigante non potrebbe autosostenersi perchè le forze tra le particelle microscopiche sono troppo deboli, le proprietà fisiche non sono scalabili).
  • ESSERI VIVENTI
    • Si può parlare di INFORMAZIONE contenuta in una struttura quando l’azione di questa su altre strutture è determinata in maniera essenziale non dalla mera quantità dei suoi elementi, ma dalla loro disposizione. Si parla di trasmissione di informazione quando la riproduzione di una struttura dà luogo a copie che contengono la stessa informazione. Entrambi i fenomeni sono essenziali per la vita (vedi DNA). Importanza del fattore di ridondanza per la corretta trasmissione dell’informazione.
      Per poter parlare di informazione è decisiva la stabilità del supporto materiale in cui l’informazione è contenuta. Gas e liquidi non possono essere portatori di informazione e quindi neppure di vita.
    • GENETICA: spiega i processi per cui i tratti di un individuo vengono trasmessi alla discendenza. Ha origine (come disciplina) nel processo antichissimo di domesticazione di piante e animali. Le caratteristiche vengono trasmesse a pacchetti in unità definite “fattori ereditari” o geni. Sembra certo per tutti gli animali, piante, virus e batteri, che quello che viene copiato e trasmesso non è la sequenza di amminoacidi delle proteine, ma le 4 lettere delle macromolecole.
      • GENE: l’informazione che costituisce il gene è contenuta nella particolare disposizione sequenziale delle subunità molecolari allineate sul filo (4 lettere)
      • MACROMOLECOLA: sequenza di 100/1000 delle 4 lettere
      • AMMINOACIDI: componenti molecolari costituiti da 20 elementi diversi
      • PROTEINA: catena di amminoacidi con struttura complessa che si modifica a causa delle diverse forze che si esercino tra gli atomi dei differenti amminoacidi
    • EVOLUZIONE: nel caso della materia vivente ciò che conta è la particolare strutturazione di molecole complesse e che questa strutturazione possa essere trasmessa fedelmente alla discendenza. Molecole affini possono contenere le stesse quantità degli stessi componenti, ma si differenziano notevolmente nei loro effetti a seconda della diversa disposizione dei componenti medesimi. L’informazione genetica che si ritrova (tradotta nelle proteine) nella struttura di un organismo è l’organizzazione ottimale di tale organismo al fine della sopravvivenza e della riproduzione nel suo ambiente.
      L’informazione ha 2 fonti:
      1. informazione che rende possibile la vita, riconducibile all’essere vivente originario da cui tutti proveniamo
      2. informazione elaborata del continuo adattamento ad una speciale nicchia biologica
      Non esiste nessuna copia assolutamente identica di qualsivoglia struttura: se le condizioni ambientali mutano l’imperfezione propria di ogni processo di copiatura torna a vantaggio del vivente “mutato” (devianti genetici) e della sua discendenza.
      L’evoluzione ha una direzione, che è data dalle sempre crescente incorporazione di informazione negli esseri viventi. Complessivamente la sostanza vivente registra sempre più sapere sul mondo e sulle possibilità di viverci. L’evoluzione viene guidata dal principio della continua acquisizione di sapere da parte di una quantità di specie capaci di vita che diventa sempre più grande e sempre più varia.
    • CLASSIFICAZIONE DEGLI ESSERI VIVENTI: gli alberi genealogici attuali sono organizzati secondo le somiglianze genetiche tra le differenti specie. Quindi il lupo della Tazmania (discendente dal canguro) è lontanissimo dal lupo abruzzese (discendente dallìHome Sapiens) anche se fisicamente e “funzionalmente” sono similissimi.
      Braitenberg si ripropone di scrivere una “Tassonomia delle nicchie biologiche nel loro effetto sulle specie animali e vegetali” dove riorganizzerebbe gli alberi genealogici secondo principi funzionali.
    • E’ possibile una LINGUA UNIVERSALE DELL’ESSERE VIVENTE? Perchè l’accostamento giallo/nero è percepito universalmente nel mondo animale come segno di pericolo?

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    neural network

  • IL CERVELLO
    • L’animale ha un cervello per reagire nella maniera migliore agli stimoli a cui è sottoposto nel suo ambiente. Stimoli meccanici, chimici, elettrici, elettromagnetici (come la luce) determinano movimenti, secrezioni chimiche e scariche elettriche che guidano l’animale nel comportamento più appropriato per la sopravvivenza. Questo non spiega ancora però perchè esista un cervello, anche i fiori si volgono al sole (rispondono ad uno stimolo) pur non avendo nessun cervello.
    • Il tessuto nervoso celebrale è una struttura intricata, come la rete telefonica di una città. In un simile intreccio la distanza tra due punti non è più il più breve collegamento rettilineo, bensì la lunghezza del cammino attraverso cui, passando per il minor numero di stazioni intermedie, si arriva da un punto ad un altro.
      Geometria della disposizione dei neuroni nel tessuto nervoso:
      Sostanza bianca: groviglio di lunghi assoni che collegano un punto ad un altro nel cervello, non sono presenti dendriti e quindi neppure sinapsi
      Sostanza grigia: groviglio di assoni e dendriti più corti , luogo dove avvengono le connessioni tra neuroni attraverso le sinapsi.
      Nella neuroanatomia si riscontra una condizione intermedia tra la totale assenza di regole compositive e il rigido ordine di tutte le connessioni (che determinano l’altissima probabilità della connessione tra due sinapsi e quindi una data reazione ad un dato stimolo)

      • NEURONI: Elementi che trasmettono i segnali nel cervello, forma stellata (10 dendriti, 1 assone)
        • ASSONE: Quando teterminati stimoli chimici o elettrici giungono all’assone la carica presente su questo si trasforma di colpo in una carica opposta. Questo produce uno squilibrio elettrico detto SPIKE, oggetto di studio dell’elettrofisiologia. Gli assoni trasmettono quindi informazione secondo un codice binario (quiete/spike). Lo spike viaggia per tutta la lunghezza dell’assone senza perdere intensità, come una miccia.
        • DENDRITI: Vengono stimolati dalle perturbazioni ma non conservano l’energia come nel caso dello spike, infatti la disperdono. Se molti dentriti vengono stimolati nella direzione giusta la somma dello stimolo raggiunge un valore critico e nel tratto iniziale dell’assone si produce uno spike.
      • SINAPSI: Luogo in cui avviene la trasmissione di segnale tra un neurone e un altro (dall’assone ai dendriti)
        1. sinapsi elettriche
        2. sinapsi chimiche: sono la stragrande maggioranza e si dividono in eccitatorie e inibitorie. eccitatorie amplificano il segnale, inibitorie lo smorzano.
        * le sinapsi sono plastiche: l’intensità del segnale può variare nel tempo a seconda di ciò che è successo prima, se una sinapsi è percorsa spesso da stimoli si rafforzerà, altrimenti si indebolirà. Per questo motivo il fenomeno della MEMORIA può essere spiegato in modo molto naturale.
    • Nel cervello è raffigurato il mondo: gli organi di senso ricevono segnali dall’ambiente (forze meccaniche, vibrazioni acustiche, temperatura, luce, stimoli chimici), li trasformano in segnali neuronali (spike) e li trasmettono nelle grandi reti neuronali.

      • PROIEZIONE: CONOSCENZE A PRIORI
        Uno spazio sensoriale o percettivo è rappresentato in luoghi diversi del cervello: ad esempio lo spazio visivo, bidimensionale è proiettato su una superficie bidimensionale, mentre lo spazio delle frequenze acustiche, unidimensionale, è proiettato su una struttura lineare.
        Un’oggetto che si muove nello spazio genera sulla retina una traccia continua e questa nel cervello viene raffigurata come un’eccitazione che si muove con continuità.
        INTUIZIONE A PRIORI DELLO SPAZIO, ORDINE SPAZIALE INNATO CHE RISIEDE NEL CERVELLO.
      • Una configurazione eccitatoria in movimento agirà sull’intero sistema con molta più forza di una immobile.
      • INIBIZIONE: un’eccitazione puntiforme si distingue più chiaramente in quanto l’eccitazione dei punti vicini sarà soppressa dall’inibizione.
        La sagoma che delimita i confini esterni dell’oggetto è senza dubbio la cosa di maggior rilevanza e che viene percepita più chiaramente.
      • SIMMETRIA BILETERALE: la grande maggioranza dei cervelli è costruita con una simmetria bilaterale. Questo significa, per esempio nel campo visivo, che nella figura che ci sta davanti è assai facilmente riconoscibile la struttura bilaterale. Quando un animale vede nella foresta una forma a simmetria bilaterale è molto probabile che si tratti del volto di un altro animale. Saper riconoscere questo tipo di situazioni è di fondamentale importanza. Nelle commisture del sistema nervoso è già presente la relazione io-tu.
    • Il cervello capendo cosa accede nel mondo può reagire prima che sia troppo tardi e quindi preservare la vita
      CELL ASSEMBLY E IL RICONOSCIMENTO DEGLI OGGETTI

      • Raffigurazione di un oggetto rilevante: gruppi di neuroni (da 100 a 100.000) dove i singoli neuroni di un gruppo segnalano ognuno caratteristiche diverse dell’oggetto – colore, posizione nello spazio, sensazione al tatto, rumore…-  I neuroni appartenenti ad un gruppo, o CELL ASSEMBLY, sono legati strettamente da sinapsi eccitatorie.
        APPRENDIMENTO: la plasticità delle sinapsi fa si che questa divenga tanto più forte quanto più spesso due neuroni sono stati attivi contemporaneamente o in rapida successione. aspetti che appaiono inscindibili nella realtà anche nel cervello diventano una cosa sola: una cell assembly e un concetto.
  • USO DEL CERVELLO, pensiero, azione, logica, linguaggio
    • Sulla base di esperienze passate il cervello opera continuamente una previsione sul più probabile stato futuro del mondo, anticipandolo. (Se 2 sinapsi A e B vengono attivate molto spesso in rapida successione, l’eccitazione della sinapsi A attiverà automaticamnte la B subito dopo). Si scoprono cioè relazioni di causalità tra gli eventi. Questo continuo evolvere dell’immagine del mondo nel cervello è rilevante per il PENSIERO, l’APPRENDIMENTO e l’AZIONE
      • PENSIERO: le sinapsi che trasmettono segnali a un neurone della corteccia direttamente dagli organi di senso non sono che una piccola parte di tutte le sinapsi sulla superficie del neurone. Quindi tutto quello che si percepisce viene interpretato dal cervello sulla base di ciò che stiamo già pensando. L’aspettativa che viene dal pensiero è quindi in molti casi più forte dell’evidenza dei sensi. L’interpretazione interna del cervello che abbia ridotto temporaneamente al minimo i suoi contatti sensori o motori con l’ambiente viene chiamata pensiero.
      • APPRENDIMENTO: la discrepanza tra quello che ci si aspetta e quello che accade effettivamente porta alla revisione delle regole con cui il cervello fa le sue previsioni.
      • AZIONE: correzione non dell’immagine del mondo ma del mondo medesimo, quando si discosta in qualche modo dal mondo ideale che abbiamo in mente. L’azione è finalizzata al bene, cioè a dirigere i movimenti che ottengano più efficemente il risultato desiderato. Il sapere insito in questi movimeti è stato acquisito dai nostri antenati in milioni di anni di evoluzione per selezione naturale.
        **Come fondamento decisionale è certamente utile il continuo confronto tra ingressi sensoriali e rappresentazione interna.
      • LOGICA: scienza che scaturisce dall’aspirazione di mettere in evidenza le regole che governano il pensiero (modo corretto di ragionare). Si basa sul calcolo delle proposizioni e sulla sillogistica aristotelica. Strumenti: negazione (limitazione, non), congiunzione (associazione, e), disgiunzione (alternanza, o). Ricerche sul midollo spinale del gatto per capire se il cervello compie le stesse operazioni. Ancora dubbi sul funzionamento del cervello umano secondo questo modello. Cell assemblye sub-assembly, l’esempio dello scoiattolo e dei concetti che richiama (rosso, mammifero, coda folta, animale arrampicatore…).
      • LINGUAGGIO: se comprendessimo le regole alla base del linguaggio umano avremmo una visione approfondita del modo in cui funziona il cervello. FRASE: la modulazione più frequente è un passaggio dal grave all’acuto seguito dal ritorno all’altezza iniziale, si ripete ogni pochi secondi. VOCALI: timbri diversi. CONSONANTI: brevi occlusioni, complete o parziali. Le occlusioni si susseguono a intervalli di 1/4 di secondo, ne risulta un ritmo sillabico uguale per tutte le lingue di 4 o 5 sillabe al secondo. SILLABA: vocale preceduta e seguita da consonanti. Vocali e consonanti formano un alfabeto di FONEMI. PAROLA: consiste in una o più sillabe, ha un significato e un ruolo nella struttura grammaticale della frase. GRAMMATICA: insieme di regole che distringuono tra le parole permesse e quelle proibite. La corteccia dell’emisfero sinistro medio-inferiore deve essere intatta perchè la produzione e comprensione del linguaggio avvengano normalmente.
        SYNFIRE CHAINS: sillabe, decorsi di attività neuronale in lunghe catene di cellule nervose, capaci di rispettare un ordine temporale esatto. CELL-ASSEMBLY SENSO MOTORIE: fonemi, sequenza dei movimenti necessari alla produzione (respiro, lingua, palato…) e schema acustico che attraverso l’orecchio giunge al cervello dove viene riconosciuto. Verso la fine del primo anno di vita ha luogo un apprendimento che fissa una volta per tutte l’alfabeto dei fonemi della madre lingua, in quanto i suoni uditi (lallazione) vengono collegati mediante un apprendimento di tipo associativo con i moviemnti corrispondenti all’apparato vocale. CELL-ASSEMBLY CON SIGNIFICATO: parole, espressioni linguistiche che significano qualcosa attivano zone del cervello specifiche che rimandano ad altre cell-assembly nei centri del linguaggio. CELL-ASSEMBLY COME INTERRUTTORI: come funzionano a livello neuronale le regole grammaticali? Ancora non si è chiaramnte capito, probabilemte alcune cell-assembly molto coese tra loro una volta attivate restano attive a lungo a meno che non vengano spente dall’esterno.
      • CONCETTI: elementi del comprendere, unità minime di significato, nettamente distinte tra loro, che vengono associate alle parole della lingua. I concetti sono discreti perchè, per sopravvivere, è importante selezionare gli input provenienti dagli organi di senso e separare gli elementi importanti dal contesto generale e concentrarsi solo su questi. Buona parte dei concetti per cui una lingua dispone di parole è appreso dall’esperienza individuale. Alcuni sono però innati (rabbia, fame, dolore…). Quali concetti vengono selezionati per essere ricordati? Tutto quello che compare più spesso diventa concetto e come tale viene incorporato nel proprio patrimonio di conoscienze. I concetti sono particolarmente utili quando trovano posto in un sistema, cioè quando risulta che le loro combinazioni consentono di produrre asserzioni interessanti.
      • Il cervello è l’organo che trasforma l’induzione in deduzione. Il cervello può scoprire verità semplicemente modificando i termini: questo è la base del pensiero creativo.
  • IL SENSO DEL BELLO
    • I giudizi di valore derivano solo in parte dall’esperienza personale, i valori innati derivano dall’esperienza collettiva di innumerevoli generazioni che sono sopravvissute alla selezione naturale. Odori buoni o cattivi, immagini brutte o belle, bei o brutti suoni, piacevoli o spiacevoli sensazioni tattili.
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