Семиотический подход к анализу познавательной деятельности
Аннотация
В работе в качестве поведенческой модели использовали обучение животных циклическому пищедобывательному навыку в многоальтернативной лабиринтной среде по методике свободного выбора. За счёт обозначения всех элементов среды, ей в соответствие была поставлена символьная матрица. В рамках информации, необходимой для решения задачи, была выделена синтактика, семантика и прагматика. В ходе самоорганизации поведения познавательная деятельность животного в среде отображалась как операции по определённым правилам с данной матрицей, и её описание было возможно через выявление этих правил. На значительном эволюционном материале были найдены общие закономерности познавательной деятельности, алгоритмы генерации решения, сформулированные в виде трёх инстинктивных операторов: операции зеркального отображения, обращения и комбинаторных перестановок.
Ключевые слова: поведение животных, познавательная деятельность, проблемная пищедобывательная задача, методика свободного выбора, семиотический анализ.05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения
Одним из центральных вопросов когнитивных теорий являются механизмы ментальных (аналитико-синтетических) процессов, которые обеспечивают преобразование и использование информации для организации поведения [6]. К сожалению представления о процессах познания и мышления продуктивно разрабатываются преимущественно применительно к человеку, хотя исходно когнитивное направление зарождалось в рамках изучения поведения животных. Нужно отдать должное исследователям прошлого, таким как Гельмгольц, Сеченов, Торндайк, Толмен и др., которые не только не сомневались в существовании у животных ментальных процессов, но и полагали, что в силу общности ряда процессов с человеком многие аспекты предметного мышления следует изучать именно на животных.
Если у человека ключом для изучения ментальных процессов, как правило, является анализ языка как механизма непосредственного их отражения [4], то методология исследования этих процессов на животных фактически не решена до сих пор. К сожалению, экспериментальное когнитивное направление, возникшее как теоретический протест против бихевиоризма, сохранило преимущественно бихевиористический подход к выбору поведенческих моделей, приемам и правилам оценки, хотя описание деятельности “черного ящика” теперь осуществляется в терминах психологических конструктов, вводимых наблюдателем. При таком методологическом подходе ментальные процессы не выявляются через поведение, а только предполагаются.
Методологическое обоснование. Поскольку в эксперименте нельзя непосредственно наблюдать процессы, лежащие в основе познавательной активности животных, возникает необходимость так проектировать эксперименты, чтобы они позволили через поведение продемонстрировать использование предварительно воспринятого и сформированного знания. При этом для того, чтобы составить представление о ментальных процессах животного требуется такая система регистрации поведения, которая бы непосредственно отражала историю (динамику) познавательной деятельности. Ещё Сеченов (1878) подчёркивал эвристическую ценность языка, знаковой системы, для изучения психических процессов как человека, так и животных. В дальнейшем идея рассмотрения языка как ментального феномена, позволяющая представить обработку любой информации как оперирование символами, высказывалась учеными неоднократно [1,5], но воплощение получила только в теории Хомского для естественного языка [4]. Однако позитивный опыт исследования внутреннего содержания объекта через описание его внешнего поведения в терминах знаковой системы хорошо известен не только в области языкознания, этнографии, но и в генетике, например, при выяснении законов наследственности, дешифровке генетического кода. В связи с этим в рамках нашей работы мы постарались формализовать все действия животного в ходе поведенческого эксперимента в виде искусственного языка.
Методический подход. За основу была взята оригинальная методика обучения животного циклическому пищедобывательному навыку в многоальтернативной лабиринтной среде [3]. Методически для создания знаковой системы каждому квадрату среды и оперантным элементам (полка, двери, кормушки) присваивали свой знак, в результате чего пространству среды ставилась в соответствие матрица из 25 буквенных символов, часть из которых выделялась в роли организующих узлов пространства, определяющих структуру задачи. Изучалась самоорганизация поведения, когда в отсутствии внешних направляющих условных стимулов значение оперантных элементов менялось только в зависимости от действий самого животного. В этой ситуации животное должно было выявить условия задачи, заданной в неявном виде, и сформировать устойчивую целенаправленную активность, позволяющую в ходе опыта многократно получать подкрепление.
С семиотических позиций данная задача может быть рассмотрена следующим образом: для решения животным проблемной ситуации должна формироваться коммуникативная система, в которой экспериментальная среда будет выступать в роли носителя знаков, а животное носителем правил работы со знаками (компилятором для искусственного языка). Возникающая коммуникативная система, согласно положениям семиотики, является носителем трех видов информации. В случае взаимодействия животного со средой эти три вида информации могут быть выражены следующим образом: синтаксическая – «что такое?» (топология среды – полный набор символов), семантическая – «что делать?» (структура задачи – набор символов оперантных объектов) и прагматическая – «как делать?» (структура поведения – последовательность оперантных действий). Познавательная деятельность в таком случае представляется как работа компилятора по трансляции, распознаванию этих трёх типов информации, и компоновке – генерации программы поведения с их использованием. В результате, поведение системы может быть описано с высоким уровнем абстракции в терминах математических алгоритмов. Поскольку условия задачи (семантика) задаётся в наших экспериментах в неявном виде, её распознавание может происходить только через процессы индукции и инференции и требует проверки значительного числа гипотез, что позволяет чётко выделить этот процесс в поведении животных. Важно, что применяемая в экспериментах многоальтернативная лабиринтная среда может быть использована как формализованная модель любой проблемной ситуации. Сложность задачи, с информационной точки зрения, определяется прагматической неопределённостью относительно её решения, что в лабиринте соответствует числу равновозможных маршрутных вариантов ее выполнения, лишь часть из которых будет удовлетворять условию задачи. Привлечение ряда положений теории графов и теории информации позволило количественно оценивать пространственную сложность экспериментальной среды и делало возможным изучение влияния этого фактора на характер протекания познавательной деятельности.
Результаты и обсуждение. В рамках описанного системно-информационного подхода на значительном эволюционном материале (насекомых, рыбах, грызунах, хищниках, китообразных, приматах) [2] был выявлен ряд общих правил познавательной деятельности – алгоритмов генерации решения. В соответствии с существующими на настоящий момент коннекционистскими теориями обработки информации было показано, что распознавание всех трёх типов информации, необходимое для построения целенаправленного поведения, осуществлялось последовательно. Общей закономерностью было выделение каждого типа информации сначала в виде конечного «алфавита» – элементарных единиц (размер которых зависел от исходной двигательной активности), информационная ёмкость которых в процессе познания увеличивалась. Было показано, что это укрупнение происходило по определённым правилам, аналогам «порождающей грамматики» Хомского, которые были названы инстинктивными операторами.
Благодаря многоальтернативности и симметрично организованной среде удалось установить, что каждому этапу обучения, связанному с процессом распознавания определенного вида информации, соответствовал конкретный тип операции, определявший специфику аналитико-синтетической деятельности. Ведущая роль в распознавании пространственной информации принадлежала операции зеркального отображения пространства, благодаря которой синтаксическая информация, фиксировавшаяся в долговременной памяти в виде отдельный единиц по типу импринтинга, в оперативной памяти могла достраиваться и за счёт ассоциативного связывания объединялась в синтаксическую (маршрутную) сеть (в некотором смысле топографическую карту). Распознавание семантической информации было связано с операцией обращения, сущность которой сводилась к проверке на инвариантность в отношении обращения направления движения формируемых переходов между 2-мя семантическими узлами. Благодаря этой операции в процессе дифференцирования устанавливалась значимость (вектор) перехода от одного семантического узла к другому, в результате чего неориентированная синтаксическая сеть становилась ориентированной, а действия направленными.
Если перейти на язык лингвистической аналогии, синтактика выступала не как набор символов, а группировалась в «слова», соответствующие отдельным звеньям структуры задачи. Как и при синтаксических операциях, в ходе данного процесса возникала значительная вариабельность, но уже относительно семантических конструкций. При распознавании прагматической информации ведущая роль принадлежала операции по перестановке значимых звеньев в пределах ассоциированных семантических последовательностей, благодаря которым в процессе интегрирования порождались различные варианты плана поведения. Сформированные «слова» по разному составлялись в «предложения» (цельные варианты решения). В результате синтетического процесса вариабельность исчезала и формировался чёткий план поведения, представленный одним или несколькими такими «предложениями» - целостными структурами, реализующими семантику на синтактике, и обладающими свойством целенаправленности.
Таким образом, через символизацию нам удалось создать формальную коммуникативную систему, поведение которой полностью отражало реальные экспериментальные данные. В рамках подобного подхода становится возможным абстрагироваться от конкретного животного и анализировать общие закономерности преобразования поведения системы, которые и являются отражением внутренних правил преобразования информации. Кроме того, за счёт формального описания в терминах семиотики понятие информации в изучаемой системе оказывается чётко определённым, что позволяет предметно говорить о её обработке и адекватно сравнивать между собой методически различные эксперименты. Полученные правила преобразования информации формулируются в форме абстрактных алгоритмов, применимых к любой системе с символьным представлением, что облегчает их приложение в рамках исследований искусственного интеллекта.
Литература:
- 1.Напалков А., Целкова Н. Информационные процессы в живых организмах. // Высшая школа – М., 1974.
2.Никольская К. Эволюционные аспекты познавательной способности (интеллекта) позвоночных. // Высшая нервная деятельность вчера и сегодня. / МГУ – М., 2010. – С. 117-146.
3.Никольская К., Хоничева Н. Особенности обучения крыс в условиях свободного выбора. // Журн. высш. нервн. деят. – 1999. – Т. 49, №. 3. – С. 436-445.
4.Chomsky N. Linguistics and cognitive science. // The Chomskyan turn. / Cambridge - Mass., 1991. – P. 26-53
5.Laird J., Newell A., Rosenbloom P. SOAR: An architecture for general intelligence. // AI. – 1987. – Vol. 33, № 1. – P. 1-64.
6.Yoerg S. Ecological frames of mind: the role of cognition in behavioral ecology. // Q. Rev. Biol. – 1991. – Vol. 66, №3. – P. 287-301.