認知科学入門 introduction to cognitive science€¦ · k121認知科学概論(2016年度)...

認知科学入門 (第2回)Introduction to Cognitive Science (2nd)認知科学の方法論0：こころの働きへのアプローチ

日高昇平

Hidaka, Shohei

shhidaka_＠_jaist.ac.jp (知識I棟5F)

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

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)

Introduction to Cognitive Science, Copyright (c) 2016 S. Hidaka All Right Reserved2

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

本講義のねらい

• こころの働きを調べる複数の方法について研究事例を通じて学ぶ


Reminder: 群盲象を評す


6 blinds studying a cognitive process

認知過程

6 cognitive scientists study on “the” cognitive process.

言語学者

哲学者

心理学者

神経科学者

計算機科学者発達科学者


学際的な特性

• 認知科学と関連する代表的な6つの研究分野–哲学

–言語学

–心理学

–神経科学

–発達科学

–計算機科学

• どのように研究がつながるのか？–単語“the”に関わる研究例


各分野の特性

• 哲学– 認知に関する理論の概念的統一性を議論し、理論が満たすべき一般的制約を定式化する

• 言語学– 文法的・非文法的な文についての話者の直感を分析し、子供の会話の誤りを観察する事で、文法構造についての仮説を提案・検証

• 心理学– 統制された実験と自然状態で生起する行動の詳細な観察

• 神経科学者– 脳における情報処理の生理的な基盤を調べる。

• 発達科学– 認知の発達過程、時間軸に沿った変化を詳細に観察し、獲得過程にかんする仮説を提案・検証する。

• 計算機科学(人工知能)– 知的な行動を起こすプログラムを書き、それと人の行動を比べる事で、洞察を得る


言語学における“the”

• 英単語の頻度で最も高い(約14語に1語)

• 音韻論：異なる発音を選択的に使い分ける

– “The problem was rough, and the answer was two.”

• 統語論:冠詞”the”の後には名詞(句)が続く

– “the book”, “the big red book”

–文法的には他の冠詞”a”に置き換え可能


(言語学+)哲学における”the”

• 意味論:”the”には”指示対象”はない。談話状

況「誰が、いつ、どこでその句を発話したか」の解釈を与える。

– “The book is on reserve in the library” 話し手と聞き手が”the book”に関する背景知識を共有

Barwise & Perry (1983)


心理学における”the”

• 人間の“the”に関する情報処理

–定冠詞”the”が出現すると、現在の知覚や記憶からそれに合致する対象の検索・推論をする

Haviland & Clark (1974); McKoon & Ratcliff (1980)


計算機科学における”the”

• 自然言語処理

–構文解析器(parser)において、”the”を利用し、それに続く2,3語を名詞句と仮定し分析する

–談話の前後の文脈のマッチングにも重要

• 記憶の検索と推論の橋渡しをするプログラム

• ここから言語理解についての洞察が得られた

Winograd (1972)


神経科学における”the”

• “the”の意味特性と統語特性を処理する脳部位を特定する。

–構文分析において“the”や他の冠詞の出現時に特異的な脳波パタンが見られる

–他の機能語(内容を伴わない語: e.g., which, if, and etc.)はブローカ野(左前頭皮質)

• ブローカ(非流暢性)失語：どもり、機能語の省略された発話

Bradley, Garrett, & Zurif (1980); Linebarger, Schwartz, Saffran (1983)Introduction to Cognitive Science, Copyright (c) 2016 S. Hidaka All Right Reserved

12

発達科学における”the”

• 品詞の獲得パタン

–名詞:1.5歳ごろ以降急速に

–動詞:名詞と同じ時期か2歳ごろ以降特に

–形容詞:名詞・動詞より遅い

–機能語:3歳ごろ

–文法の獲得：2歳ごろ以降特に発話長の増大

• 平均3歳ごろから”the”と”a”を正しい形式で使い分ける

Fenson et al. (1994); Maratsos (1976)


6 “communicating” blinds

“the”の認知過程


言語学者

哲学者

心理学者

神経科学者

計算機科学者発達科学者



“the”の認知過程


“the” is followed

by a noun phrase

“the” specifies a contextual

background

People retrieve memory what

“the” may indicate

Yes, people’s EEG show a specific

type of patterns.

Yes, our parser uses the idea of

“the-NP” association

The age of nouns and function words to be

acquired seems different


認知科学の特性

• 日常の何気ない活動を多様な角度から分析

– “the”の認知処理について6つの研究スタイル

–研究者は自分にあったスタイルで研究対象・方法を選択できる

–発展には分野間のコミュニケーションが１つの鍵


認知心理学

• 心の中にあるもの(内観)を如何に実証的研究にもちこむのか


“心的イメージ”の研究

• イメージ

–人は誰しも”直感的に”物体を心に表現し、それを操作する事ができる。

– イメージトレーニングは実際に効果がある。(Mendoza et al., 1978)

• (一見)実体のないイメージをどのように研究したらよいだろうか？


心的回転Mental rotation“心の中の物体”へのアプローチ

• 回転した物体対をマッチングする課題– できるだけ速く正確に”same” or “different”を回答

Shepard & Metzler (1971)

(A) “same” pair (B) “same” pair (C) “different” pair(different by 80 deg) (different by 80 deg in depth) (no angle to match)



• 結果：回転角∝反応時間– 2物体の回転角の差に比例した反応時間

– 2D回転(画像に水平)より3D回転(奥行き方向)でも反応時間は長くならない(i.e., 単に難易度ではない)

Me

an r

eac

tio

n t

ime

fo

r “s

ame

” p

airs

(se

con

ds)

Angle of rotation (degrees)Angle of rotation (degrees)



• まとめ・考察

–回転角と反応速度には線形(2次以上の多項式でなく)の関係性がある

–反応速度と回転角の相関は、“心の中”の３次元物体操作の速度と解釈可能

• 典型的な被験者の内観報告では、”２物体の端をマッチさせるように回転し、もう一方の端の一致をみる”

–十分に学習・訓練しても反応速度に限界あり

• 心の中の”物体を操作”と考えるのが有力


認知心理学～認知神経科学

• 心的回転の物理的基盤における証拠を見つけることができるか？

• (認知)神経科学

–脳の神経細胞(=ニューロン)のパタンを調べる

–本講義第3回、第12回でより詳しく説明


Mental rotation:認知神経科学的アプローチ

• 仮説–空間的な動きの方向は運動野の活動(ニューロン集団)と関連がある

–ニューロン集団の”投票”で動きを決定する

–個々のニューロンは個別の選好方向をもつ

• 実験・計測–マカク(rhesus monkey)を心的回転課題ができるように訓練

–単一ニューロン群の発火パタンを計測

Georgopoulos et al. (1989)Introduction to Cognitive Science, Copyright (c) 2016 S. Hidaka All Right Reserved

23

運動方向とニューロン

• 始点(中央)のレバーを8つの光点位置にあわせる

• 運動野のおよそ300のニューロン活動を計測– 個々のニューロンの選好(受容野)は方向依存的

– ニューロン集団(平均発火率)も方向依存的

単一ニューロン群の電気生理的パタンを記録

レバーを動かして光る位置にあわせる課題

単一ニューロンの方向特異的な発火パタン

腕の動きの方向

発火頻度


運動方向～心的回転

• 実験2(改訂)

–運動方向の2種類の手がかり

• 暗い光：刺激・運動方向の一致

• 明るい光：運動は刺激から時計回りに90°

刺激 Stimulus刺激

運動運動 Action

手がかり(明るさ)と課題


Neural correlates of mental rotation

刺激 Stimulus 刺激

運動運動 Action

手がかり(明るさ)と課題時間

刺激から運動開始までの時間差

心的回転の神経生理的な証拠


Mental rotation in Cognitive Neuroscience

• サルの運動野は単一・集団ニューロンで運動方向をコード化

• 刺激と別な方向に運動する場合、方向選択ニューロンの活動が刺激から運動方向へ時間とともに変化


心的回転：認知発達

• 心的回転はどのような認知機能を反映した能力なのか？

• 他の認知能力における位置づけ

–言語能力

–運動能力

–空間認識能力


心的回転：認知発達Berg, Hertzog, Hunt (1982)

• 18-69歳の男女66人に、心的回転課題を実施

• 心理測定的テストと心的回転課題の個人間の相関を分析

–相関: ２変数間の線形的傾向の統計的指標

Y(反応時間

:心的回転

)

X(心理測定結果)

正の相関あり

Y(反応時間

:心的回転

)


相関なし

Y(反応時間

:心的回転

)


負の相関あり


結果: 年齢と反応時間(切片・傾き)に相関、また性差あり

１日目４日目

Age 1: 18-24 yAge 2: 26-34 yAge 3: 44-58 yAge 4: 60-69 y


心理測定テストとの相関

• 語彙テスト、空間認識テストの結果と比較

–空間認識テストの結果と相関あり

–語彙テストの結果とは相関なし


Y(反応時間

:心的回転

)


正の相関あり

まとめ：心的回転の認知発達

• 心的回転は空間認識と関連あり

• 男女差・年齢差あり


Match or non-match by some rotation?

心的回転に関する３分野での研究

• 認知心理学– 人の行動を指標とし(e.g.,反応時間/正答率)、モデル・仮説の実証を行う• 回転角と反応時間の線形性

• 認知神経科学– 神経細胞の発火パタンを調べ、情報処理の物理的基盤を追究する• サルの神経細胞の発火パタン～回転角

• 認知発達科学– 認知能力の時間変化(発達・衰退)を調べ、モデル・仮説の補強を行う• 年齢・性差に伴う心的回転の反応時間・正答率～他の認知テストとの比較



“心的回転”の認知過程


“the” is followed

by a noun phrase

“the” specifies a contextual

background

People retrieve memory what

“the” may indicate

Yes, people’s EEG show a specific

type of patterns.

Yes, our parser uses the idea of

“the-NP” association

The age of nouns and function words to be

acquired seems different


認知科学における学際研究

• 複数の分野が互いの知見を共有し、新たな発見・洞察につなげる。

• “the”– 言語学にて”the”の役割の提唱– 人工知能(自然言語処理)のプログラムへ– ”the”の文法的機能の神経基盤へ

• 心的回転– 心的回転を反応時間として実証– 神経科学への仮説提唱：神経基盤の発見– 他の周辺研究：より詳細なモデルの提唱、他の認知能力との位置づけ、など


次回講義

• 認知科学の歴史的経緯を、その起源から、現在までの流れを学ぶ


認知科学入門 introduction to cognitive science€¦ · k121認知科学概論(2016年度)...

Documents