Vznik in narava kompozicionalne misli skozi prediktivno procesiranje
natisniPredstavitev projekta
Naslov: Vznik in narava kompozicionalne misli skozi prediktivno procesiranje
Šifra projekta: J7-60119
Vodilna institucija: UP FAMNIT
Partnerske institucije:
- Univerza Sigmunda Freuda Dunaj - podružnica Ljubljana,
- UL Fakulteta za elektrotehniko,
- UL Filozofska Fakulteta.
Vodja projekta na UP FAMNIT: dr. Danaja Rutar
Vrsta projekta: Temeljni raziskovalni projekt (program AD)
Financer projekta: Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije (ARIS)
Raziskovalno področje (ARIS): 5.09 Psihologija
Trajanje projekta: 1. 2. 2025–31. 1. 2028
Ljudje imajo edinstveno sposobnost, da lahko mislijo neskončno veliko misli na podlagi re-kombiniranja konceptov – to zmožnost omogočajo kompozicionalne reprezentacije. Kompozicionalnost pomeni, da je mogoče omejeno število primitivnih funkcij (ključne operacije oziroma funkcije, ki podpirajo učenje konceptov) kombinirati in znova združevati v bolj kompleksne misli v skladu s pravili za njihovo kombiniranje. Čeprav ključna značilnost človeške višje kognicije, je zanimivo, da mladi otroci kompozicionalnih reprezentacij nimajo. Naš projekt si prizadeva postaviti teoretične in empirične temelje za razumevanje vznika in strukture logičnih kompozicionalnih reprezentacij v okviru napovednega procesiranja (NP). Da bi dosegli ta namen, smo projekt zasnovali okoli dveh razvojno-psiholoških in enega NP cilja.
Prvi cilj je preučiti kakšna je struktura pred-kompozicionalnih reprezentacij in kako se le-te razvijejo v kompozicionalne reprezentacije. Medtem ko so nekateri ključni filozofi na tem področju (Fodor, 1975) trdili, da je kompozicionalna zmožnost prirojena, empirični razvojno-psihološki dokazi kažejo v drugo smer. Namreč, dokaze o obstoju logičnih primitivih funkcij najdemo šele po prvem letu starosti (Cesana-Arlotti idr., 2018), in šele otroci stari 3,5-4,5 leta izkazujejo sposobnost za kombiniranje dveh primitivnih funkcij (Piantadosi & Aslin, 2016). Zato je možno, da najzgodnejše reprezentacije nimajo kompozicionalne strukture in jo šele razvijejo.
Drugi cilj je motiviran na podlagi naslednjega. Predhodno raziskovanje o kompozicionalnosti se je osredotočalo predvsem na individualne primitivne funkcije. Ampak to pušča odprto vprašanje, kakšen set primitivnih funckij in pravil najboljše opisuje učenje konceptov pri otrocih in posledično tvori kompozicionalne reprezentacije. Različne kombinacije primitivnih funkcij in pravil oblikujejo različne sete, pri čemer vsak set predstavlja znanstveno hipotezo o tem, kakšne primitivne funckije in pravila so potrebna za usvajanje novih konceptov. Torej, drugi cilj je nasloviti vprašanje kateri set primitivnih funkcij in kombinatoričnih pravil tvori kompozicionalne reprezentacije in ali je ta set učinkovit pri minimizaciji napovedne napake.
Tretji cilj je izraziti izsledke prvih dveh ciljev skozi mehanizme NP. NP je poenotena teorija kognicije, percepcije in delovanja, ki temelji na enem setu glavnih mehanizmov, zaradi česar ima ta teorija močno razlagalno vrednost (Clark, 2013). V našem projektu predlagamo dva mehanizma, ki bi lahko bila ključna za grajenje NP teorije o vzniku in strukturi misli pri otrocih: 1) minimizacija napovedne napake in 2) mentalna dejanja.
Opisane cilje bomo zasledovali skozi naslednja raziskovalna vprašanja (RV): RV1: Kakšna je struktura pred-kompozicionalnih reprezentacij pri dojenčkih? RV2: Kako se te pred-kompozicionalne reprezentacije razvijejo v kompozicionalne reprezentacije? RV3: Kateri set primitivnih funkcij in kombinatoričnih pravil tvori kompozicionalne reprezentacije pri otrocih? RV4: Ali je set primitivnih funkcij in pravil, ki ga uporabljajo otroci, optimiziran za zmanjševanje napovedne napake, glavnega motivacijskega cilja v NP? RV5: Kaj so specifični mehanizmi NP in kako le-ti osvetljujejo vznik in strukturo kompozicionalnih reprezentacij pri otrocih?
Ta raziskovalna vprašanja bomo raziskovali v treh študijah. V Študiji1 bomo naslovili RV1 in RV2 skozi sistematičen pregled razvojno psihološke literature, ki nam bo pomagala pri identificiranju možnih pred-kompozicionalnih reprezentacij in načinov, kako se le-te razvijejo v kompozicionalne reprezentacije. V Študiji2 bomo naslovili RV3 in RV4, pri čemer bomo najprej izvedli vedenjski eksperiment z približno 4 leta starimi otroki in potem bomo njihove podatke modelirali. V Študiji3 bomo naslovili RV5 skozi teoretično analizo, pri čemer bomo identificirali mehanizme NP, ki lahko razložijo vznik in strukturo kompozicionalnih reprezentacij pri otrocih.
Oddelek UP FAMNIT, v okviru katerega se izvaja projekt:
Oddelek za psihologijo
V prvem projektnem letu smo v časovnici napovedali uresničitev 1. cilja in del 2. cilja.
Cilj 1: Preučiti strukturo pred-kompozicionalnih reprezentacij in razumeti, kako se te razvijejo v kompozicionalne reprezentacije. V okviru 1. cilja sem pripravila tri med seboj povezane članke.
Prvi prispevek [1] je pregledni članek, ki najbolj neposredno naslavlja prvi projektni cilj. Osrednja teza članka je, da kompozicionalnost ni nenaden razvojni preskok, temveč rezultat postopnega usklajevanja več deloma neodvisnih razvojnih procesov. Razvojna pot, ki jo članek rekonstruira, se začne pri prenatalnih mehanizmih (spontani motorični aktivnosti, ritmih centralnih generatorjev gibanja, nevralnih vzorcih »delta-brush« ter mišičnih trzljajih med REM spanjem) in se nadaljuje prek vse bolj postanatalnega anticipatornega nadzora do razvoja mišljenja v več diskretnih korakih. Na podlagi teh procesov izpeljem štiri razrede funkcionalnih predpogojev kompozicionalnosti: kontrolne primitive, ki zaznamujejo prehod od reaktivnega k napovednemu uravnavanju in s tem omogočajo ohranjanje vmesnih stanj med zaporednimi operacijami; kalibracijske primitive, ki vključujejo prenatalno motorično raziskovanje in mišične trzljaje ter vzpostavljajo zanesljive povezave med dejanji in njihovimi senzoričnimi posledicami; primitive strukture modelov, kamor sodijo statistično učenje, razčlenjevanje kontinuiranega zaznavnega dražljaja na enovite zaznavne enote in njihova hierarhična organizacija; ter pragmatični primitivi za usmerjanje, ki se kažejo v zmožnosti doseganja ciljev prek zaporednih vmesnih korakov in ki otroka naravno vodijo k temu, da posamezne operacije začne razumeti kot ločene enote.
Drugi prispevek [2] je nastal kot neposredna razširitev prvega članka. Rekonstrukcija razvojne poti v [1] je odprla vprašanje, ali je zaporedje, v katerem se pred-kompozicionalni temelji pojavljajo v ontogenezi, zgolj razvojna posebnost ali pa odraža globlje, evolucijsko pogojene omejitve. Za primerjavo razvojne in evolucijske perspektive se je kot ključno orodje izkazal pojem napovednega modela, ki omogoča napovedovanje senzoričnih posledic lastnih dejanj ali zunanjih dogodkov. Osrednja ugotovitev članka je, da ontogeneza in filogeneza sledita nasprotnima potema pri gradnji napovedovalnih arhitektur: medtem ko evolucija napreduje od okoljskih k somatskim napovednim modelom, človeški razvoj poteka v obratni smeri. S tem člankov pokaževa, da razvojno zaporedje pred-kompozicionalnih temeljev, opisano v [1], ni naključno, temveč odraža omejitve, ki izvirajo iz evolucijske zgodovine.
Medtem ko prispevka [1] in [2] pojasnjujeta, kako kompozicionalnost nastane v razvoju in evoluciji, se ta prispevek osredotoča na naslednji korak. Raziskuje, po kakšnih pravilih se gradniki kompozicionalnih reprezentacij, ko so enkrat vzpostavljene, povezujejo in kako je te procese mogoče pojasniti z mehanizmi napovednega procesiranja (PP). Ker je bila teorija PP razvita pretežno za razlago zaznavnih procesov, njeni obstoječi mehanizmi ne zadoščajo za razlago višje kognicije, zlasti lastnosti, kot so produktivnost, predikatnost in sistematičnost, ki so za kompozicionalno mišljenje ključne. V prispevku predlagamo, da ta problem lahko razrešimo, če koncepte implementiramo kot miselne načrte (angl., mental policies) – to so hierarhično organizirana zaporedja miselnih dejanj, ki ne vključujejo motoričnega sistema, temveč operirajo neposredno nad notranjimi reprezentacijami. S tem prispevek sklene in razširi teoretični okvir ARIS-ovega projekta: razvojni in evolucijski perspektivi iz [1] in [2] doda mehanistično razlago tega, kako kompozicionalne reprezentacije delujejo znotraj PP, ko so enkrat vzpostavljene.
Reference:
[1] Rutar., D. Functional prerequisites of developing compositional representations.
[2] Rutar, D., & Matthew Sims. Evolution and development build predictive systems in opposite orders.
[3] Rutar, D., Carcassi, F., & Deane, G. The construction of concepts: Active inference and the probabilistic language of thought.
Cilj 2: Nasloviti vprašanje kateri set primitivnih funkcij in kombinatoričnih pravil tvori kompozicionalne reprezentacije in ali je ta set učinkovit pri minimizaciji napovedne napake. V okviru 2. cilja pripravljam modelersko in vedenjsko študijo [4].
Izhodišče 2. cilja je ugotovitev, da obstoječe raziskave konceptualnega učenja večinoma pojasnjujejo strukturo usvojenih konceptov, ne pa tega, kako ljudje med samim učenjem aktivno gradijo in preizkušajo hipoteze o teh konceptih. Analiza tega procesa neposredno naslavlja obe raziskovalni vprašanji. Prvič, strategije, ki jih udeleženec uporablja pri testiranju, razkrivajo primitive in pravila, na katerih temelji gradnja njegovih hipotez. Drugič, te strategije omogočajo preverjanje, ali so hipoteze optimizirane za zmanjševanje napovedne napake. V ta namen sem razvila računalniški model, ki podaja mehanistični opis šestih meta-operacij oziroma kompozicionalnih miselnih strategij, ki usmerjajo posamezne korake preverjanja hipotez. Model hkrati omogoča empirično analizo, ali se uporaba teh strategij razlikuje med otroki in odraslimi ter ali so optimizirane za minimizacijo napovedne napake.
V kontekstu četrtega članka [4] sem opravila naslednje aktivnosti: Pregled relevantne literature in sintezo obstoječih pristopov k modeliranju aktivnega konceptualnega učenja, kar je vodilo do oblikovanja konceptualnega in računalniškega okvirja za celoten projekt. Čeprav sem v projektni dokumentaciji prijavila dva ločena kognitivna modela, sem ju v procesu razvoja združila v dva funkcionalno razločna nivoja znotraj enega integriranega kognitivnega modela, kar se je izkazalo za konceptualno ustreznejšo rešitev. Sledil je pregled obstoječih eksperimentalnih paradigem implementacija eksperimentalne paradigme za naš projekt, ki gradi na vplivni paradigmi Bramley in Xu (2023), v kateri udeleženci odkrivajo skrito pravilo tako, da iterativno gradijo preizkusne primere in za vsakega prejmejo povratno informacijo o tem, ali pravilu ustreza ali ne. Našo paradigmo smo razširili na dva ključna načine: z zbiranjem eksplicitnih hipotez o pravilu med samim učenjem in z razvojem formalnega generativnega modela, ki pojasni, zakaj so bili izbrani posamezni preizkusni primeri.
Na podlagi tega sem konceptualne modele prevedla v računalniški kognitivni in statistični model. Kognitivni model je sestavljen iz dveh med seboj tesno povezanih nivojev. Na prvem nivoju kognitivni model formalizira šest meta-operacij kot generativne modele: psihološko različnih strategij testiranja, ki se razlikujejo glede na vrsto spremembe in epistemični cilj, tj., minimiziranje napovedne napake. Na drugem nivoju inverzni model iz opazovanega zaporedja preizkusnih prizorov rekonstruira, katera strategija je najverjetneje vodila posamezen korak. Hierarhični Bayesov model pa bo ocenjeval ujemanje kognitivnega modela s podatki in omogočal primerjavo profilov strategij med otroki in odraslimi. S tem statistični model neposredno naslavlja raziskovalni vprašanji drugega cilja: kateri primitivi so v ozadju konceptualnega učenja ter ali so strategije otrok in odraslih optimizirane za zmanjševanje napake napovedi.
V okviru zasledovanja drugega projektnega cilja sem že tudi izvedla prvo zbiranje pilotnih podatkov pri treh udeležencih, ki je potrdilo tehnično delovanje eksperimenta in modelov.
Referenca: [4] Rutar, D., G., Asvin, idr. Meta-operations in Predictive processing: A computational model of hypothesis-testing strategies in children and adults.
Project presentationna vrh
Title: The emergence and nature of compositional thought through predictive processing
Project acronym: J7-60119
Leading institution: UP FAMNIT
Partner institutions:
- Univerza Sigmunda Freuda Dunaj - podružnica Ljubljana,
- UL Fakulteta za elektrotehniko,
- UL Filozofska Fakulteta.
Principal investigator at UP FAMNIT: dr. Danaja Rutar
Funding organization: Slovenian Research and Innovation Agency (ARIS)
Research field (ARIS): 5.09 - Psychology
Duration: 1. 2. 2025–31. 1. 2028
Humans are unique in their ability to think infinitely many thoughts by re-combining concepts – ability that relies on compositional representations. Compositionality means that a limited number of primitives (key operations or functions that underlie understanding of concepts) can be flexibly re-combined to produce more complex thoughts according to some combinatorial rules. Whilst a key feature of human higher cognition, interestingly, young children do not possess compositional representations. Our project aims to establish the theoretical and empirical foundations for understanding the emergence and the structure of logical compositional representations in predictive processing (PP). We will address this aim through investigating two developmental and a PP objective.
Our first objective is to investigate what the structure of such pre-compositional representations is and how they develop into compositional representations. Whilst some key philosophers in this area (Fodor, 1975) have argued that compositional ability is inborn, emerging developmental evidence points in another direction. Namely, we can only find evidence of the existence of logical primitives after the first year (Cesana-Arlotti et al., 2018) and only 3.5-4.5-year-olds are able to compose two primitives together (Piantadosi & Aslin, 2016). Therefore, it is plausible to assume that the earliest representations have structure other than compositional.
The second objective is motivated by the following. Prior developmental research on emerging compositionality has focused almost exclusively on individual primitives. However, it remains an open question what set of primitives and rules best describes children’s concept learning and hence underlies compositional representations. Different combinations of primitives and rules formulate different sets, each proposing a scientific hypothesis about what primitives and rules are required for the acquisition of new concepts. Therefore, the second objective is to investigate what set of primitives and compositional rules underlies compositional representations and whether this set efficiently minimises prediction error.
The third objective is to cast the findings from the first two objectives in terms of the PP mechanisms. PP is a unifying theory of cognition, perception, and action, explaining them through a single set of core mechanisms, thus promising a great explanatory power (Clark, 2013). As part of this proposal, we suggest two core PP mechanisms that might be instrumental in developing a PP account of the emergence and the structure of compositional representations in children: 1) prediction error minimisation and 2) mental policies.
We address these objectives by the following research questions (RQs): RQ1: What is the structure of pre-compositional representations in infants? RQ2: How do these pre-compositional representations develop into compositional representations? RQ3: What set of primitives and compositional rules underlies compositional representations in children? RQ4: Is the set of primitives and rules employed by children optimised for the minimisation of prediction error, a core motivational objective in PP? RQ5: What are the specific PP mechanisms, and how do they elucidate the emergence and the structure of compositional representations in children?
The specified research questions will be investigated in three studies. In Study1 we will address RQ1 and RQ2 by systematically reviewing existing developmental literature, which will serve us to identify possible pre-compositional representations and how these develop into compositional representations. In Study2 we will address RQ3 and RQ4 by first conducting a behavioural experiment with approximately 4 years old children and then modelling their results. In Study3 we will address RQ5 via theoretical analysis: we will identify the PP mechanisms that could explain the emergence and the structure of compositional representations in children.
