evan_gcrm (evan_gcrm) wrote,
evan_gcrm
evan_gcrm

Category:

Free Energy Principle | Часть №2




Принцип свободной энергии.
Смена парадигмы рациональности для принятия решений.
Преодоление неопределенности.
Истоки сознания.


Free Energy Principle | Часть №1

"Всю первую половину столетия стихийно созревала, мысль о важнейшем качестве, наблюдаемом как во всех живых системах, так и на искусственных устройствах, создававшихся человеком для усиления своей власти над природой, и в то же время категорически отсутствующем в каких бы то ни было неживых и не построенных человеком объектах. Этим качеством была целесообразность".
/К.С. Тринчер/

Целесообразность (разумность, полезность, желательность) — как отличительное свойство живого, подразумевает у него некую закономерность, принцип, аналогичный причинности, но не сводящийся к ней. Прообразами такого принципа, разработанными в начале 21 века, стали вариационные принципы максимума информации и наименьшего “потребления” ограничивающих ресурсов или их определенной комбинации - обобщенной свободной энергией системы.
Однако, вопрос, что же конкретно «экономит» природа для обеспечения целесообразности в случае живых организмов, так и оставался открытым до появления принципа свободной энергии Карла Фристона.

Что для нас является отличительным свойством жизни?


Ведь отличить живое от неживого мы можем чисто интуитивно, не озадачивая себя выбором отличительных критериев живого от неживого. Следовательно, должен быть какой-то общий организующий принцип, характерный для любых агентов, демонстрирующих особенности, позволяющие нам интуитивно считать их живыми.
Отличительной способностью живых организмов является их способность поддерживать собственный гомеостаз — т.е. сохранять относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивости основных физиологических функций в условиях изменяющейся внешней среды.
Сохранение гомеостаза — абсолютное условие выживания любого живого организма.
Это значит, что набор внутренних состояний живого организма есть некое подмножество всех возможных внутренних состояний. Причем состояния, совместимые с выживанием агента, составляют мизерную толику всех возможных состояний.



Под состояниями понимаются все положения и движения частей тела агента, электрохимические состояния его мозга, физиологические изменения в органах и т. д. Пока эти состояния находятся в области, совместимой с выживанием (в области гомеостаза), все в порядке — агент будет жить. Если же состояния организма окажутся за пределами области состояний, совместимых с выживанием, жизнь агента прекратится.
Следует, однако, иметь в виду, что для разных организмов области состояний, совместимых с выживанием могут сильно отличаться.



Но так уж устроен мир, что выживанию агента постоянно мешает хаос в окружающей его среде. В соответствии со вторым законом термодинамики, энтропия мира в целом неуклонно растет. Это провоцирует увеличение числа возможных состояний агента, что грозит риском выхода за пределы области состояний, совместимых с выживанием. Агенту нужно как-то с этим бороться, ибо вопрос стоит о самом для него важном — о выживании.

Согласно доминирующей в современной науке концепции «прогнозирующего мозга», в нем постоянно формируется и обновляется модель окружающего мира и самого агента в этом постоянно меняющемся окружении. Поступающие от органов чувств сенсорные данные (о состоянии среды и самого агента) постоянно сравниваются с прогнозами (ожиданиями) мозга, какими эти данные должны быть в соответствии с его моделью.
При этом главная цель существования постоянна и неизменна — оставаться в области состояний, совместимых с выживанием.

На практике для агента возможны два варианта:
► Если сенсорные данные совпадают с прогнозом, значит гомеостазу ничего не грозит:
a) порядок поддерживается (энтропия не растет);
b) вероятность остаться в области гомеостаза высокая;
c) неприятные и опасные неожиданности отсутствуют.

► Если же сенсорные данные расходятся с прогнозом — это трактуется мозгом, как:
a) порядок нарушается (энтропия растет);
b) вероятность остаться в области гомеостаза снижается;
c) организм столкнулся с неожиданностью (что неприятно и опасно).




Так, что же в такой схеме должна «экономить» природа?

Исходя выше написанного, ответ очевиден. Нужно «экономить» (т.е. стараться не давать снижаться) вероятности гомеостаза. А для этого нужно минимизировать неожиданность. Именно она — угроза для выживания.
Поскольку цель агента — во что бы то ни стало выжить, необходимо минимизировать неожиданность.

Это, по сути, универсальный принцип выживания любого агента.



А в чем суть неожиданности?

Интуитивный ответ однозначен — в том, что мы такого не ожидали. Т.е. произошло что-то невероятное с точки зрений наших ожиданий.
Воспользуемся этим пониманием неожиданности, как невероятности, в контексте прогнозирующего мозга.
Есть модель мира (m) и сенсорные данные (s). Вероятность совпадения сенсорных данных с моделью мира можно записать так: log p (s | m). Тогда невероятность этого будет тем же самым выражением со знаком минус: -log p (s | m). Математически минимизация средней неожиданности (также называемой энтропией) становится тем же самым, что и максимизация обоснованности p (s | m ) модели.



Но вместо неожиданности, можно измерять ошибку модели, т.е. разницу между реальными сенсорными данными и их прогнозом в соответствии с моделью мира в мозге агента.
Тогда в качестве верхней границы неожиданности (максимума ошибки модели) будет величина, называемая в статистической физике «свободная энергия». Она по определению будет больше или равна неожиданности (ошибки модели), ибо свободная энергия = неожиданность + дивергенция.
Последняя — это некая мера удалённости друг от друга двух вероятностных распределений и, следовательно, неотрицательная величина. Из чего следует, что свободная энергия всегда будет верхним пределом неожиданности.



Свободная энергия здесь не имеет ничего общего с энергией в общепринятом смысле. Это теоретико-информационное понятие.
Вместе с тем, свободная энергия, будучи рассмотренной в контексте принципа наименьшего действия, вполне соответствует понятию «действие», в механике используемом в качестве меры изменения количества движения в ходе процесса, ведущего к изменению состояния. Понятие действие обобщается и на немеханические формы движения, в которых под действием понимают количественную меру процесса, связанного с преодолением каких-либо сил. А сила — это понятие, относящееся к нескольким объектам. И в общем виде материальных взаимодействий можно говорить не только о механической природе сил, но и о химической, электрической, ядерной и прочими видами взаимодействий.

В результате этих догадок, у Фристона, происходит минимизация свободной энергии в смысле, эквивалентном максимизации доказательств модели. И делается это решением задачи оптимизации с применением вариационного принципа.
Поэтому точное название того, что «экономит» природа в живых организмах — вариационная свободная энергия.
«Экономя» её, мозг, пытается максимизировать доказательства своей байесовской модели мира, неявно пытаясь при этом минимизировать свою энтропию.
Другими словами, сопротивляясь второму закону термодинамики, мозг прибегает к самоорганизации в борьбе с царящим в мире беспорядком. Из чего следует, что
мозг — это самоорганизующаяся система, минимизирующая свою энтропию и тем самым противостоящая естественной тенденции к беспорядку, поддерживая устойчивый и гомеостатический обмен с окружающей средой.


Таким образом, принцип оптимальности (принцип свободной энергии) является принципом экстремального действия, лежащим в основе работы мозга.
Живой организм способен действовать, меняя состояния внешней среды. А ключевым фактором этой способности является движение.

Что делает организм столкнувшись с опасной для него неожиданностью?

Вариантов всего два:
✔️ Действовать — воздействовать на мир (убегать, нападать, ломать, строить и т.д.)
✔️ Изменять представления о мире в своей модели (может, на самом деле, все не так плохо, как она прогнозирует, и если ее соответствующим образом подправить, глядишь, неожиданность исчезнет).




Мозг по Карлу Фристону. 1. Л.Ю.Жилякова. Принцип свободной энергии

Байесовская теория мозга содержит в себе набор математических инструментов для моделирования взаимодействия организмов с окружающим миром. В настоящее время это одна из самых влиятельных теорий в когнитивной нейробиологии.
Ее суть в том, что мозг строит свои прогнозы в форме байесовских вероятностей, получая данные от органов чувств, и постоянно обновляя (выводя) свои убеждения (beliefs) о состоянии окружающего мира.
Здесь термин “убеждение” обозначает ментальную репрезентацию, которой придерживается агент и которая может отражать его предшествующий опыт. Убеждения могут касаться конкретных (например, физических свойств объектов в мире) или абстрактных (например, намерений других людей) сущностей мира. Чтобы учесть неизбежную неопределенность, убеждения имеют вероятностное представление и соответствуют распределениям вероятностей. Т.о. они характеризуются статистическими данными, такими как математическое ожидание (среднее значение) или точность (обратная дисперсия). Более того, убеждения могут зависеть друг от друга и в совокупности составляют модель мира агента.
В частности, теорема Байеса описывает, как первоначальное убеждение (или априорная информация — Prior) о конкретной величине интегрируется с новыми наблюдениями (то есть сенсорным входом — Likelihood) или обновляется ими, что приводит к обновленному (или апостериорному — Posterior) убеждению.

Данный процесс можно проиллюстрировать так:


А) Иллюстрация концепции “убеждений” как вероятностных распределений. Показано гауссово распределение вероятностей, характеризующееся математическим ожиданием (вертикальная пунктирная линия) и точностью (горизонтальная двойная стрелка). Ось X (Коричневая) указывает на сущность, по отношению к которой формируется убеждение (например, температура конкретного объекта). Ось Y (фиолетовая) представляет собой, попросту говоря, вероятность, которая присваивается каждому возможному значению этой сущности (в приведенном выше примере: вероятность того, что температура объекта имеет определенное значение).
Б) Графическое изложение теоремы Байеса для гауссовых распределений вероятностей. Показано, что Posterior представляет собой компромисс между Prior и Likelihood, в зависимости от их относительной точности. PE-это аббревиатура от «prediction error» (ошибка предсказания). Допустим, что данный рисунок иллюстрирует восприятие температуры. Фактически воспринимаемая температура (апостериорное убеждение Posterior) — это компромисс между ожидаемой или предсказанной температурой (априорным убеждением Prior) и сенсорным входом Likelihood. Posterior можно также понимать, как обновление Prior, где величина обновления убеждения зависит от ошибки предсказания (PE) и относительной точности (обратной дисперсии) Prior и Likelihood.
В этом примере точность сенсорного ввода Likelihood выше, и поэтому Posterior сдвигается в сторону Likelihood.
В) Когда точность Prior выше, чем точность Likelihood, происходит небольшое обновление убеждения, приводящее к тому, что Posterior остается близким к Prior.
Г) Когда точность Likelihood выше, чем точность Prior, происходит большое обновление убеждения, приводящее к тому, что Posterior перемещается в сторону Likelihood.


Резюмировать рассмотренное выше математическое представление интегрального процесса минимизации свободной энергии на основе «Байесовской теории мозга» можно в виде двух процессов: прогностического кодирования и активного вывода.
✔️ Мозг конструирует иерархическую модель мира (физической и социальной среды, а также собственного тела), которая направляет восприятие и действие.
✔️ Процесс прогностического кодирования (Predictive coding) представляет восприятие как байесовский вывод в рамках иерархической модели о мире.
✔️ Процесс активного вывода (Active inference)объясняет выбор действий, как процесс реализации представлений о мире путем постоянного уточнения убеждений (Belief-fulfilling process).

Иными словами, все биологические, живые системы имеют три характерные особенности:
Внутренняя модель мира.
Внешние данные от органов чувств о мире.
Умение совершать действия в мире.

Принцип свободной энергии (ПСЭ) объединяет оба процесса (прогностическое кодирование и активный вывод) единой общей идеей: цель мозга — свести к минимуму неожиданность (или ошибку предсказаний) сенсорных входов.

Из приведенного предельно сжатого и упрощенного изложения основ ПСЭ, видно, что этот простой постулат имеет весьма важные “побочные эффекты”. Среди них три важнейших феномена, характеризующих живых агентов: восприятие, действие и обучение. Все они непосредственно связаны с процессами прогностического кодирования и активного вывода.
Формирование прогнозов → порождает феномен восприятия.
Изменение мира → целевая функция феномена действие.
Формирование и уточнение внутренней модели мира → цель и механизм феномена обучение

Однако самым фундаментальным свойством ПСЭ является его универсальность для всего живого. Этот принцип применим не только к мозгу, но и к любой живой системе. По своей сути, ПСЭ — это эвристическое доказательство следующего фундаментального предположения.
Жизнь, понимаемая, как биологическая самоорганизация, является неизбежным эмерджентным свойством любой эргодической случайной динамической системы, обладающей марковским ограждением.

Два особых требования, указанные в этом определении понятия «жизнь», необходимы для идентификации индивидов (отдельных живых существ) и объясняются так.
Требование наличия марковского ограждения необходимо для индивидуализации — выделение конкретного индивида в пространстве из его окружения (не являющегося этим индивидом). Понятие марковское ограждение возникло не в нейробиологии. Оно гораздо более фундаментально. Любая материальная сущность обладает своим марковским ограждением, поскольку, если его нет, невозможно отличить эту сущность от другой или от окружающего мира.
Требование эргодичности системы необходимо при определении того, что этот индивид живой, т.е. он существует во времени. Эргодичность позволяет интерпретировать среднее время нахождения динамической системы в некотором состоянии, как вероятность того, что она будет находиться в этом состоянии при случайном наблюдении.

Указанные два требования определяют живого индивида, как нечто стабильное, существующее во времени и поддерживающее собственную биологическую самоорганизацию.
«Живой индивид» — это агрегат (в смысле упорядоченная совокупность частей), который сохраняет свой показатель целостности во времени, распространяя в будущее максимально возможное количество информации.
С учетом всех сделанных уточнений, можно переформулировать ПСЭ в общем виде.
Любой живой индивид взаимодействующий с окружающей средой, в целях собственного выживания, должен минимизировать неопределенность в отношении причин сенсорных входов (и тем самым максимизировать свою адаптивную приспособляемость).
Следовательно, ПСЭ является условием самой возможности существования адаптивных систем. Это предполагает, что адаптивные системы были бы невозможны, если бы ПСЭ не был истинным. Биологические системы, которые не минимизируют свободную энергию, не могут существовать.
Живой индивид может существовать на любом уровне биологической организации: от субклеточного до социального. Тогда, с учетом вложенности марковских ограждений, ПСЭ может быть принят в качестве универсального принципа существования жизни, разума и общества, применительно к широчайшему диапазону временных и пространственных масштабов.



Минимизация свободной энергии происходит в широчайшем диапазоне временных и пространственных масштабов:
в реальном времени (милисекунды): нейрокогнитивность (восприятие и действие, а также обучение и внимание);
на протяжении жизни индивида (годы): нейроразвитие;
на протяжении жизни группы — семья, род … (десятилетия, века): эпигенетические механизмы минимизации свободной энергии между поколениями;
на протяжении жизни вида — напр. Homo sapiens (тыс. и млн. лет): процессы адаптации в эволюционной психологии, включающие в себя оптимизацию во времени генеративных моделей индивидов и их сородичей через наследование адаптивных априорных убеждений — Priors.

Резюмируем:

✔️ ПСЭ представляет собой математическую формулировку тенденции автономных живых систем адаптивно противостоять энтропийному распаду.
✔️ ПСЭ гласит, что все живые системы действуют так, чтобы уменьшить ошибку предсказаний и тем самым неявно противостоять энтропийной тенденции к термодинамическому равновесию — рассеянию и смерти.
✔️ ПСЭ является основополагающим принципом биологической самоорганизации (или самосборки) автономных биологических систем в масштабах от соматической адаптации на субклеточном и клеточном уровне до эволюции на уровне биологического вида.
✔️ Биологическая самоорганизация (жизнь) эргодических случайных динамических систем, проявляющаяся на всех уровнях вложенности марковских ограждений (клетка, орган, организм, группа, вид) является неизбежным эмерджентным свойством, обусловленным ПСЭ.
✔️ На всех этих уровнях, в широком диапазоне временных и пространственных масштабов, ПСЭ определяет ход процессов развития, присущих каждому из уровней: нейрокогнитивность, нейроразвитие, эпигенетика и эволюция.
✔️ Разум в этой схеме не является «объектом». Он проявляется в поведении живого индивида, совместно управляемом мозгом и телом и направленном на сохранении гомеостаза. Последнее, в свою очередь, всего лишь следствие ПСЭ для биологической самоорганизации. И сознание также не «объект», а естественный процесс, такой как эволюция или погода. А интеллект — и не «объект», и не процесс, а всего лишь мера разумности (целесообразности) поведения индивида. Тогда как волю живого индивида можно рассматривать, как результат интеграции способности предсказывать будущее и возможные действия и способности, основываясь на внутренней мотивационной структуре, выбрать конкретный путь, выполняя соответствующие действия.

Таким образом, принцип свободной энергии — это всего лишь тонкая реконструкция принципа наименьшего действия в условиях случайных динамических систем. Заслуга первой формулировки этого принципа принадлежит Пьеру Луи Мопертюи, который писал: "поскольку законы движения и покоя, выведенные из этого принципа, в точности совпадают с законами, наблюдаемыми в природе, мы можем восхищаться его применением ко всем явлениям. Движение животных, вегетативный рост растений… есть только его последствия; и зрелище вселенной становится тем величественнее, тем прекраснее, тем достойнее ее создателя, когда знаешь, что для всех движений достаточно небольшого числа мудро установленных законов."

/Источник/



Картинка кликабельна



Tags: Мироустройство, Ноосферогенез, Сознание
Subscribe
promo evan_gcrm march 28, 2018 19:35 141
Buy for 30 tokens
Основополагающим элементом, основным двигателем всей жизни, является репликатор. Скопированная информация - это и есть «репликатор». На Земле первый репликатор довольно бесспорный - это гены, или информация, закодированная в молекулах ДНК. Точнее это первый репликатор, о котором мы знаем.…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 2 comments