Krzysztof Czerniak

Christopher Cherniak jest amerykańskim neurobiologiem , członkiem Wydziału Filozofii Uniwersytetu Maryland . Trajektoria badań Czerniaka rozpoczęła się w teorii wiedzy i doprowadziła do obliczeniowej neuroanatomii i genomiki . Podstawowe powiązanie między obszarami dotyczy modeli agenta: prace rozpoczęto od bardziej realistycznych modeli racjonalności o ograniczonych zasobach. Z tej epistemologii z kolei zrodził się program badawczy dotyczący modeli o optymalnym okablowaniu globalnej anatomii mózgu i genomu, podejście strukturalistyczne.

Minimalni agenci

Monografia Cherniaka Minimalna racjonalność stwierdza, że ​​​​być może najbardziej fundamentalnym prawem psychologicznym jest to, że ludzie są istotami skończonymi. Modele agenta o ograniczonych zasobach charakteryzują ludzką racjonalność jako mieszczącą się między niczym a doskonałością. Apercu motywujące krytykę racjonalności jest przekazywane przez uświadomienie sobie, że standardowe idealizacje pociągają za sobą pewną dedukcyjną wszechwiedzę - na przykład trywialność części nauk dedukcyjnych. Tacy idealni agenci/logicy, gdyby byli obliczeniowi, musieliby naruszyć Twierdzenie Churcha o nierozstrzygalności logiki pierwszego rzędu. Ten wgląd z kolei wskazuje, że NP-zupełność ma równoległe znaczenie: trudność obliczeniowa w skali pochłaniającej kosmos jest praktycznym odpowiednikiem tradycyjnej absolutnej nieobliczalności – kolejna warstwa niemożliwości dla idealizacji. Jest to część filozoficznego znaczenia złożoności obliczeniowej.

Ten program badawczy opiera się raczej na holistycznej niż podzielonej perspektywie, w której filozofia i nauka są odrębne, ale nierozerwalnie ze sobą powiązane. Na przykład klasyczne paradoksy semantyki (np. paradoks kłamcy ) i teorii mnogości (np. paradoks Russella ) mogą być ponownie zbadane nie jako patologia, ale zamiast tego jako oznaki użycia „szybkiej i brudnej heurystyki” – to znaczy niezawodność kompromisy między poprawnością a wykonalnością. W ten sposób zbiegają się trzy odmienne dziedziny: (a) teoria złożoności obliczeniowej, (b) empiryczna psychologia szybkich i brudnych heurystyk, (c) filozoficzna teoria racjonalności ograniczonych zasobów. W ten sposób modele ograniczonej racjonalności służą jako podstawa obecnej „ ekonomii behawioralnej ”.

Optymalizacja okablowania mózgowego

Ponadto być może naturalne jest rozszerzenie podejścia opartego na ograniczonych zasobach wzdłuż tych linii w dół od racjonalności do poziomu sprzętu okablowania mózgowego. W szczególności łączność dalekiego zasięgu jest krytycznie ograniczonym zasobem neuronowym, z silną ewolucyjną presją na efektywne wykorzystanie. Minimalizacja połączeń wydaje się być pierwszym prawem traktografii mózgu , zasadą organizacyjną kierującą neuroanatomią.

Laboratorium Cherniak sprawdzało zatem, jak dobrze pomysły optymalizacji okablowania z projektowania mikroczipów komputerowych odnoszą się do struktury mózgu. „Save wire” okazuje się być modelem silnie predykcyjnym. Minimalizację okablowania można wykryć na wielu poziomach (np. umiejscowienie całego mózgu, układ jego zwojów i/lub obszarów kory, subkomórkowa architektura altan dendrytowych itp.). Wydaje się, że znaczna część tej struktury biologicznej powstaje „za darmo, bezpośrednio z fizyki”.

Kluczowym problemem związanym z okablowaniem jest optymalizacja rozmieszczenia komponentów: biorąc pod uwagę zestaw połączonych ze sobą komponentów, jakie jest rozmieszczenie komponentów, które minimalizuje całkowite koszty połączenia (np. długość przewodów)? Wydaje się, że ta koncepcja dość dokładnie wyjaśnia aspekty neuroanatomii na wielu poziomach hierarchii. Na przykład układ nerwowy glisty Caenorhabditis elegans zawiera jedenaście elementów zwojowych, które mają ich 11! (~ 40 000 000) alternatywnych możliwych porządków przednio-tylnych. W rzeczywistości rzeczywisty tutaj jest idealny, ponieważ rzeczywisty układ okazuje się wymagać minimalnej całkowitej długości przewodu, co jest prognostyczną historią sukcesu. Jednak takie problemy są NP-zupełne; dokładne rozwiązania na ogół wydają się wymagać wyszukiwania metodą bruteforce, z wykładniczo rosnącymi kosztami. Pomimo lokalnych minimalnych pułapek, tę optymalizację neuroanatomii można dobrze przybliżyć za pomocą mechanizmów minimalizacji energii „siatki sprężyn”. (Por. omówienie poniżej „wąskiego gardła genomowego”.)

Odpowiednie podejście można zastosować do umiejscowienia połączonych obszarów funkcjonalnych kory mózgowej . Pierwszą strategią jest użycie prostszej miary kosztu połączenia, zgodności układu kory z heurystyką przylegania oszczędzającą przewody: jeśli komponenty są połączone, to są umieszczane obok siebie. Próbkowanie wszystkich możliwych układów jest nadal wymagane, aby zweryfikować te najlepsze. W przypadku 17 podstawowych obszarów wizualnych kory makaka rzeczywisty układ tego podsystemu plasuje się w pierwszej 10–7 ^układów , najlepiej minimalizując koszty ich sąsiedztwa. Podobne wysokie rankingi optymalności dotyczą również podstawowego zestawu obszarów wzrokowych kory kota, a także kory węchowej szczura i ciała migdałowatego.

Ponadto wydaje się, że „prawo wielkości” ma zastosowanie do systemów z takimi lokalnie-globalnymi kompromisami: jeśli cały system jest w rzeczywistości doskonale zoptymalizowany, to im mniejszy jest jego podzbiór oceniany samodzielnie, tym gorsza wydaje się optymalizacja. (Jest to uogólnienie pokrewnej, zależnej od perspektywy idei widzianej w teologii, aby wyjaśnić problem zła – pozornych niedoskonałości we Wszechświecie z wszechmocnym, życzliwym bóstwem). Prawo Rozmiaru dobrze stosuje się do każdego z powyższych systemów kory mózgowej , jak również gdzie indziej (np. do projektowania mikroczipów).

Dzięki takim ramom optymalizacji sieci te wyniki „Oszczędzaj przewody” zostały rozszerzone i powtórzone dla całego żywego ludzkiego mózgu za pomocą fMRI, co jest kolejnym sukcesem prognostycznym.

Dendryty neuronów i altany aksonów również wydają się znacznie zbliżone do drzew Steinera o minimalnym koszcie. Struktury te można wyprowadzić za pomocą dynamiki płynów. Wydaje się, że stanowi to jedną z najbardziej złożonych biostruktur, jakie można obecnie uzyskać z prostych (nie-DNA) procesów fizycznych. Takie „wystarczające fizyki” ujęcie biologicznej morfogenezy stanowi „niegenomiczny natywizm”. Jednym z powodów, dla których prebiotyk przenika biotyka w ten sposób, jest radzenie sobie z „genomowym wąskim gardłem”: podobnie jak inne systemy organizmów, genom ma ograniczone możliwości. Zatem im więcej neuroanatomii „za darmo, bezpośrednio z fizyki”, tym mniejszy ładunek informacyjny genomu.

Powstaje kolejne pytanie: minimalizacja okablowania neuronowego jest oczywiście cenna, ale dlaczego wydaje się, że ma tak wysoki priorytet – czasem pozornie bliski maksymalnemu? Znaczenie ultradokładnej optymalizacji neuronowej pozostaje kwestią otwartą.

Dodatkowa kwestia dotyczy tego, w jaki sposób intencjonalny poziom umysłu zazębia się z poziomem sprzętowym mózgu. Prima facie ta relacja wydaje się być napięta: w niektórych aspektach okablowanie mózgowe wydaje się być praktycznie doskonale zoptymalizowane, jednak racjonalność ma warstwy niemożliwości między nim a doskonałością. Być może jest to kolejny przejaw nieredukowalności tego, co mentalne – dobrze znane słabe dopasowanie obu domen do siebie.

Genom jako nanomózg

Kolejny rozdział tego programu badawczego: Koncepcje z teorii obliczeń można zastosować do zrozumienia struktury i funkcji DNA organizmów. Model podwójnej helisy Cricka-Watsona pojawił się w tym samym miejscu i czasie, co ostatnia praca Turinga, a mianowicie w Cambridge około 1950 r., więc idea DNA-jako-taśmy-maszynowej-Turinga krążyła wokół przez dziesięciolecia.

W szczególności genom można traktować jak „nano-mózg” lub piko-komputer, aby zobaczyć, czy podobne strategie minimalizacji połączeń pojawiają się również w sieciach genów. Jak naszkicowano powyżej, od dziesięcioleci donoszono o optymalizacji okablowania w mózgu, która zaczyna podejść do niektórych z najdokładniej potwierdzonych przewidywań w neuronauce.

Obecnie badany jest pomysł minimalizacji połączeń dla ludzkiego genomu. Transmisja informacji może nie być bezpłatna nawet w obrębie komórki, jądra lub genomu. Na przykład statystycznie istotny homunkulus suprachromosomalny – globalna reprezentacja ludzkiego ciała – wydaje się rozciągać na cały genom w jądrze. Jest to strategia minimalizacji kosztów połączenia (np. mapy ciała zgłaszane w korze czuciowej i ruchowej od XIX wieku). Ponadto wydaje się, że mapowania somatotopowe na mniejszą skalę występują na poszczególnych chromosomach autosomalnych.

Linki zewnętrzne

• Strona główna Czerniaka