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認知科学概論 (第10回)Introduction to Cognitive Science (10th)

認知発達1: 言語・学習

日高昇平

Hidaka, Shohei

shhidaka_＠_jaist.ac.jp (知識I棟5F)

July 11th, 2016

1Introduction to Cognitive Science, Copyright (c) 2016 S. Hidaka All Right Reserved

mailto:[email protected]

K121認知科学概論 (2016年度)講義予定 (月曜1限, 水曜2限,オフィスアワー月3)

K121講義資料：http://www.jaist.ac.jp/~shhidaka/

1. はじめに：認知科学を歩くための地図 (6/13・月1限)2. 認知科学の方法論：心の働きへのアプローチ (6/15・水2限)3. 認知科学の起こり行動主義・人工知能・人工神経回路網モデル (6/20・月1限)4. 計算モデルの水準 (6/22・水2限)5. 情報処理の表現形式１：計算モデルにおける記号処理・分散処理 (6/29・水2限)6. 認知科学の方法論１：認知処理と計算モデル (7/4・月1限)7. 認知科学演習１ (7/4・月3限オフィスアワー)8. 中間試験 (7/6・水2限)9. 情報処理の表現形式２：脳機能マップ(7/11・月１限)10.認知発達１：言語・学習(7/11・月3限オフィスアワー)11.認知科学の方法論２：行動実験・脳機能イメージング (7/25・月１限)12.認知科学演習２ (7/25・月・３限オフィスアワー)13.認知発達２：社会的認知・身体性認知(7/13・水２限)14.講義の振り返り/期末試験(7/27・水2限)

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http://www.jaist.ac.jp/~shhidaka/

本講義のねらいThe goal of this lecture

• 認知発達の理論・知見を学ぶ–発達の研究小史

–発達に関する仮説・理論

–言語獲得に関する研究

• To learn findings in developmental sciences– A brief history of developmental sciences

– Overview of developmental theories

– Studies on language acquisition/ learning

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なぜ発達を研究するのか?

• ある時点での認知処理過程ではなく、成熟、学習、老衰、など様々な要因で遷り行く、認知処理の変化を調べる– 胎児～新生児～乳幼児～児童～青年

– 青年～成人～老年

• どんな人にも赤ちゃんの時期がある– 特に人の乳幼児期は他の霊長類に比べ長い(生理的早産: Portmann)

– 長く・遅い発達に人の特異性がある


赤ちゃんの変化

• 新生児～乳幼児～児童様々な変化

–知覚～視覚・聴覚など様々な対象を認識(e.g., 人見知り)

–運動～首据わり、寝返り、腰据わり、這う、歩行

–言語～言語音の聴き分け、バブリング、指差し、手振り、発話、名詞の獲得、動詞の獲得


発達研究の歴史• 子供は「小さな大人」~量的に劣るだけで、質的には同等

– 「児童」という観念の確立は19C終わり(Aries, 1960)

• 進化論と発達– Darwin: 自身の子の成長記録

– Haeckel: 反復発生説

• 児童心理学の成立(20C前半)– E. Key (1900) 「児童の世紀」

– M. Montessori (1936) 児童の権利擁護運動


東ら(1992) 発達心理学ハンドブック

氏か育ちか (Nature or nurture)現代的に言えば、遺伝か学習か

–経験主義 (tabula rasa～白紙)

• 白紙で生まれ、経験によって知識が書き込まれる

• 観察・経験を重視(実験、調査、帰納的・演繹的推論)

• Locke (17C), Hume (18C), Mill (19C)

–生得主義(大陸合理主義)

• Descartes (17C), Kant (18C)

Anderson (1980) 富田ら (訳), “認知心理学概論”


発達の研究史

Locke (17C), Hume (18C), Mill (19C)経験主義

Descartes (17C), Kant (18C)生得主義

Watson 1920-行動主義

Williams 1890-機能主義

Wundt 1890-構成主義

Nat

ure

N

urt

ure

Chomsky 1950-論理言語学

Plato BC4-3観念的・イデア論

Aristotle BC3経験哲学

Introduction to Cognitive Science, Copyright (c) 2016 S. Hidaka All Right Reserved 8

GOFAIトップダウン

Rummelhart &McClellandPDP model 1986-

Minsky, Newell, McCarthy 記号的人工知能

認知革命

並列分散処理ボトムアップ

情報科学・統計学的モデル

2000ごろ～現在

フレーム問題など

(注)対立軸ではない

計算資源の増加+MCMC

Darwin 進化論 19CKey 1900 Montessori 1936児童心理学の成立

Piaget 1923-適応論的発達理論

発達理論の起こりJ. Piaget

• 多くの観察・実験から、発達理論の提唱

• 行為の体制化の漸進的修正(適応論的な観点)

–発達の段階説• 感覚運動前操作期～具体的操作期～形式的操作期

• 反射～習慣～道具的～手段・目的～試行錯誤～洞察

–シェマと環境の相互作用

• ～知覚と運動(～行為)の単位

–同化(assimilation)・調整(accommodation)

• 環境をシステムへ統合し、環境にあわせシステム修正


Piaget理論(1954)A-not-B error

• 現象・観察(9ヶ月児)– AまたはBという場所(箱)がある

– Aにおもちゃを隠し、乳児に探索させる (繰り返す)

– 次にBにおもちゃを隠す(乳児はそれを観察する)

– 多くの場合、9ヶ月児はAを探りにいく

– 12ヶ月児はBのおもちゃを正しく当てる


A-not-B error (10 month old)


Piaget理論(1954)A-not-B error: 理論的な影響

• 単純であるが、50年以上たっても様々な仮説・理論に影響を及ぼす– 物体の永続性説(Piaget, 1954)

• 隠れた物体がそこにある、という信念が不完全• 近年の研究で棄却: 3ヶ月児も永続性(Baillargeron et al.,

1985)

– 作業記憶説 (Munakata, 1998)• 作業記憶に競合するAの位置があり、情報を更新できない

– 抑制制御 (Diamond, 1988; Diamond & Goldman-Rakic, 1989)• 前頭前野を除去したアカゲザルはA-not-Bエラーを起こす

– 実験者の社会的シグナル (Topal et al., 2008)• 実験者の無意識に出すシグナルを読む


前頭葉 frontal lobe

• 全脳の約30%の細胞を占める

• 運動制御

• プランニング

• ワーキングメモリ

• 人格

– Phineas Gage: 前頭葉の大部分を損傷、その後乱暴な性格へと劇的に変化した


ワーキングメモリ(作業記憶)

• 理解、学習、推論など認知的課題の遂行中に情報を一時的に保持し操作するためのシステム(Baddeley, 1986)

–例: Wisconsin card sorting• 複数の属性(色, 数,形)カードの分類課題

• ソートする属性を保持し続ける必要あり

• 臨床心理テスト(前頭野損傷患者や統合失調症患者は課題遂行が困難)

• 3歳以下の子供(単純化したDCCS課題)は、ソートルールの切り替えが難しい


Dimension Change Card Sorting


氏か育ちか (Nature or nurture)

• Nature/Nurtureの相互作用 --Epigenesis– 遺伝による制約条件が生体の内部と外部の環境からの影響と相互作用し、その結果として表現形(phenotype)が形成される• 相互作用主義(interactionist), 構成主義(constructivism)

–相互作用主義は問題の解決ではなく置き換えか?


Elman et al. (1996) “Rethinking innateness”/ 乾ら(訳) 「認知発達と生得性」

Epigenetic landscapeWaddington (1975)

• 発達～時間を含む多次元空間の谷

–谷に沿って個体の表現形が発達する

–遺伝子型や個体発生に関わる環境発達の軌道を変化させる

–復元する傾向がある


生得性の制約する範囲知識はどこから来るのか?

• 表象レベルの制約(Representational constraints)–知識と行動は表象が予め配線されている?

• 文法(Pinker, 1994; Pinker & Bloom, 1990)

• 物理概念(Spelke, 1994)

• 数の概念(Wynn, 1992; Carey, 2009)

–脳皮質の回路として?• 神経可塑性による反例:

– e.g., 人工内耳による聴覚回復(Merzenich et al., 1988)

– 体性感覚野の再編(Recanszone, et al., 1992)




• アーキテクチャレベルの制約(Architectural constraints)

–ユニットレベルの制約～ニューロンの性質

–局所レベル～ニューロン集団(層構造・密度・結合)

• 発達当初は皮質全域において同一構造と近似も可能

–大局レベル～部位・領域間の結合




• 時間レベルの制約(Architectural constraints)

–発達スケジュールは進化上の変化に影響(Gould, 1977)

• 左半球に言語機能が偏る現象の説明として、成熟の速さが関係するとの仮説(Annet, 1985; Courchesne et al., 1995)

–言語学習と臨界期(Johnson & Newport, 1989など)

• ハードウェアの変化～神経レベルの可塑性の減衰– Locke (1993; 1994)

• ソフトウェアの変化～可塑性の減衰は脳皮質の分化による– Marchman (1993)



領域固有性 Domain-specificity“parsing is a reflex”

• Modularity(一般の意味と異なるのに注意)– e.g. 機能分化(神経科学)

• Fodor’s “modularity of mind” –9つの性質 (黒字5つは後天学習可能)1. 情報遮蔽性(モジュール内の機能に外部アクセスできず)2. 無意識性(モジュールの操作に意識的に関与できない)3. 高い処理速度4. 浅い出力(中間処理段階の情報なしに出力のみ)5. 強制的発火(モジュールは反射的・文脈非依存)6. 発生的普遍性(特定の順番で発達する)7. 局在化(特定の神経系のみが情報介在する)8. 崩壊の普遍性(不都合の際には特定の方法で崩壊する)9. 領域固有性(唯一の情報タイプのみを扱う)


Elman et al. (1996) “Rethinking innateness”/ 乾ら(訳) 「認知発達と生得性」Fodor (1983) Modularity of mind

領域固有性 Domain-specificity人の言語・顔認知はコウモリの超音波同定

• 種に固有・種の存続に不可欠な情報処理

• 領域固有性の5レベル(Elman et al., 1996)– 処理すべき問題の固有性、行動的解決の固有性、表象の固有性、遺伝子の固有性

–情報処理メカニズムの固有性• 脳情報処理のバインディング問題(Malsburg, 1981)

Introduction to Cognitive Science, Copyright (c) 2016 S. Hidaka All Right Reserved22Mel & Fiser (2000)

(A) 最小特徴単位の組合せ (B) おばあさん細胞 (C) Wickelgrenシステム(バインディング問題) (組み合わせ爆発) (妥協案)

発達の理論：まとめ

• 経験主義～生得主義～相互作用主義

– ラベル貼り換えではなく、実質的な議論の必要性

• 生得的制約のレベル

–表象・アーキテクチャ・時間

• 情報の表現・脳における配線の粒度・臨界期

–モジュール性～領域固有性

• 情報処理のバインディング問題


言語獲得研究の移り変わり(現在も)

• 1960年代– 生成文法 (Chomsky, 1955/1975)

• 1970年代– 言語入力の研究

• Poverty of stimulus• Motherese (Child directed speech)

• 1980– 前言語記の親子コミュニケーション(共同注視)– 語彙の制約(バイアス)理論

• 1990– 計算論的モデルによる説明(ニューラルネットモデル)– 大規模データに基づく研究への整備(CHILDES, MCDI)


言語の獲得：多くの経験的知見

• (第一)言語の獲得は効率的

– 18ヶ月以降, １日平均9語を学習する

• 十分な刺激を受けずに言語は獲得できない

– 13歳まで監禁されたGenieの例

• 栄養状態悪く身体的にも未発達

• 敏感期(臨界期)の存在– 第二言語の学習開始時期によって、達成度が異なる– 生得性の議論の材料になりがち、注意が必要


言語の獲得：多くの経験的知見

• 環境から受ける刺激(Poverty of stimulus)– 大人は誤った言葉も話す

– Lack of negative evidence: 誤りの修正は少ない

• Pidgin/Creole– Pidgin: 十分な環境なしに第二言語を学習した人

• 第一言語との不完全な混合

– Creole: Pidginの子世代• 不完全な刺激にも関わらず、より洗練された文法を構築

– 聾話者の手話• 90%の聾話者の親は健常者: 手話のクレオール


なぜ子供の言語獲得は効率的?

• 統語の獲得

–生成文法による説明

• 意味の獲得

–ネットワークによる説明

– メタ学習による説明(統計的学習)

• 音韻の獲得

–音韻構造の統計的学習


生成文法N. Chomsky (1955)

• 形式言語の理論体系

–特定の“言語”を生成する理論

–論理的な規則集合に基づき、文・非文を計算

–言語の獲得過程の説明を一つの目標

• 当時の経験論行動主義に対する強力な批判


生成文法の主張観察・思考実験からの帰結

• 言語構造はあまりにも複雑で、環境からの入力のみで学習はできない(プラトンの問題)

– Poverty of stimulus, Lack of negative evidences

• 生得的な言語獲得装置を仮定し、解決

–言語はそれ自体に特化した”器官”(module/domain-

specificity)

• 領域固有(Domain-general)な能力の組み合わせでは困難

–言語獲得装置：一般的な言語を生成可能な体系

• 特定言語に特化するための学習(パラメタ設定)は必要


文法の獲得: 対立する理論

• 認知言語学(Lakoff, Langackerなど)

–領域固有な認知能力として言語を捉える

• メタファー、カテゴリ化、認知文法など

• 社会的語用論(Tomacello)

–社会性・コミュニケーションとしての側面を重視

–観察事例(日誌的研究)から、個別の語の用法から統語規則が派生すると主張(verb-island仮説)


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語彙獲得：語意の不確定性

• “gavagai” problem (Quine, 1960)

“Gavagai”(未知の単語)

“Gavagai”=うさぎ?=茶色?=動物?

“Gavagai”=晴れた空?

=草原?=草原+うさぎ?

“Gavagai”=うさぎの耳?=動物の耳?=動物の体?

Introduction to Cognitive Science, Copyright (c) 2016 S. Hidaka All Right Reserved

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新奇語の一般化 (fast mapping)

• 2,3歳児は新奇語の一事例でも一般化できる

“gavagai”

固形の物体

“dax”

A. サイズ B. 色 C. 形異なる異なる異なる

Take me another “dax”!

Landau et al. (1988); Imai & Gentner (1998)

形の類似性

幼児の語意に関するバイアスがあり仮説空間は限定されている


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統計的学習によるfast mapping

Smith et al. (2002); Colunga & Smith (2005); Hidaka & Smith (2010)

個別の物体-名詞ペアの学習

各カテゴリの事例共通の特徴を抽出

“カテゴリ群”

共通の特徴を抽出

“カテゴリ群”

共通性を新奇語に適用


35

Fast mappingの計算論的モデル

Q1: 語意カテゴリの統計的構造とは？

Q2: どのように事前知識を抽出するのか


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統計的学習による説明色次元

形次元

“dax”

“dax”

“dax”

Take me another “dax”!

新奇事例

カテゴリ学習

色次元

形次元

新奇語汎用

”dax”の1事例

色次元

形次元

１事例学習(fast mapping)

分布推定の不定性

色次元

形次元

既知の単語

新奇事例

？

“dax”

幼児の獲得する名詞カテゴリにはどのような統計的構造があるのか？

“mapoo”“dax”?

事前(メタ)知識の利用

Hidaka & Smith (2010; 2011)Introduction to Cognitive Science, Copyright (c) 2016 S. Hidaka All Right Reserved

言語獲得：まとめ

• 問題設定– 哲学的な思索のレベルでは言語は複雑・不確定

• ある種の不良設定問題（不良性には議論の余地あり）

• 特に意味論における”計算理論”は発展途上

– 一方、観察において、子供の言語獲得は効率的

– 子供の言語獲得における情報処理とは?

• 文法の獲得– 生成文法/語用論的説明

• 語意の獲得– 特徴空間における統計学習～メタ学習による効率化


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