Модели заучивания пространственной информации при воспроизведении и узнавании Ляховецкий В.А. Институт Физиологии им. И.П. Павлова РАН

Введение Узнавание и полное воспроизведение – две инструкции, которые широко используются при изучении памяти. Узнавание при заучивании может проводиться под меньшим сознательным контролем, чем полное воспроизведение [Величковский, 2006]. Ментальные репрезентации при заучивании слабо [Cleeremans, Jimenez, 2002] или же, напротив, значительно [Willingham, 1998] зависят от степени сознательного контроля. О ментальных репрезентациях (во всяком случае, простран- ственных) можно судить по распределениям ошибок испытуемых [Ляховецкий, Потапов, Попечителев, 2006; Ляховецкий, Боброва, 2009]. Для каждого метода разрабатывается своя программа воспроизведения? Но это же нелепо! [Аллахвердов, 2003] => объединить узнавание и полное воспроизведение в рамках одной модели.

Зависит ли внутренняя репрезентация пространственной информации от инструкции и задачи, которая дается испытуемому? Какова эта внутренняя репрезентация пространственной информации (на основе модели)?

Методика (запоминание) Наивные испытуемые (безразрядники) однократно заучивали последовательность из семи случайных перемещений фигуры (слона) по шахматной доске, предъявляемую на экране монитора – фигура перемещалась тогда, когда испытуемый полагал, что запомнил предыдущее положение.

Методика (воспроизведение) Непосредственно после этапа запоминания испытуемые группы А решали задачу полного воспроизведения – последовательно отмечали на шахматной доске запомненные положения фигуры.

Методика (узнавание) Непосредственно после этапа запоминания испытуемые группы Б решали задачу узнавания – 6 раз выбирали последующее положение фигуры из четырех вариантов.

Обработка результатов Вычисляли процент правильных ответов, времена узнавания и воспроизведения для правильных и ошибочных ответов, распределение ошибок положения.

Результаты опыта Выражен primacy-эффект – первые положения фигуры запоминаются лучше, чем последующие. Задача полного воспроизведения достоверно сложнее задачи узнавания для испытуемых.

Запоминание. Время в задаче полного воспроизведения выше, чем в задаче узнавания (p = 0.051); выше для правильных ответов, чем для ошибочных: узнавание – t 0 > {t 1, t 2, t 4 }, воспроизведение - t 0 > {t 2, t 6, t 7 }, t 1 > t 2, но t 0 t 1. Припоминание. Время в задаче узнавания больше, чем в задаче полного воспроизведения. Результаты опыта

Распределения ошибок Распределения ошибок положения при задачах узнавания и полного воспроизведения последовательности перемещений фигуры не отличаются друг от друга (критерий хи-квадрат, критерий Колмогорова-Смирнова). Хотя и существует тенденция к большей доле ошибок на одну клетку (и меньшей доле ошибок на 4 клетки). Бывают ли другие распределения ошибок?

Заучивание последовательности движений методика Лист А4 расположен под сенсорным экраном. В шести его клетках, выбранных случайным образом, располагаются цифры, по которым экспериментатор последовательно перемещает правую руку испытуемого. Испытуемый, находящийся с завязанными глазами, должен запомнить и немедленно воспроизвести движения руки (Ляховецкий, Боброва, 2009, 2010)

Распределения ошибок Распределение ошибок положения при задаче полного воспроизведения последовательности движений отличается от распределений ошибок при запоминании положения шахматной фигуры (критерий хи-квадрат).

Внутренняя репрезентация пространственной информации о положении фигуры не зависит от инструкции (узнавание / полное воспроизведение), которая дается испытуемому, но зависит от задачи. Какова эта внутренняя репрезентация пространственной информации?

Стековая модель Внешний стимул S i при запоминании переводится во внутреннее представление модели Z i. Z i = (z i1, z i2, …, z ik ). Объекты Z i хранятся в «памяти» независимо друг от друга. При запоминании стимула S часть информации может быть потеряна, что представимо как независимое искажение элементов z с некоторой вероятностью, заданной экспериментатором. S -> Z -> Z. Полное воспроизведение. S сравнивается с Z. Узнавание. Стимул и дистракторы (D l ) переводятся в выбранное внутреннее представление модели (S->Z, D l ->F l ). Правильный ответ – min(||Z-Z||, ||Z-F l ||), || || - число несовпадающих бит в выбранной метрике [Ляховецкий, Потапов, Попечителев, 2006].

Результаты модельного опыта Позиционное кодирование. Координаты фигуры переводили в двоичную систему. Каждый бит искажали с вероятностью 10%. Отсутствует primacy-effect.

Распределения ошибок (модель + испытуемые) Стековая модель при использовании позиционного кодирования воспроизводит распределения ошибок человека. Существует тенденция к недостоверности предсказания доли ошибок на 1 клетку у задачи воспроизведения.

Гетероассоциативная сеть Сохраняет пары объектов. Может восстановить объект, когда ассоциированный с ним объект предлагается ей в качестве подсказки. В сети два слоя элементов по одному для каждого из объектов пары. Оба слоя соединяются двунаправлен- ными связями, т.е. актив- ность может передаваться по связям в обоих направлениях. (для последовательности) Kosko, 1988

1) На первый слой подается объект X. 2) Распространяется активность на 2 й слой. Вход элемента 2 го слоя равен net j = SUM i (x i w ij ). 3) Вычисляется новое состояние для каждого элемента 2 го слоя.y j = f(net j ). 4) Распространяется активность на 1 й слой. net i = SUM j (y j w ji ). 5) Вычисляется новое состояние для каждого элемента первого слоя. x i = f(net i ). Двустороннее распространение сигналов активности повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто устойчивое состояние. Динамика ассоциативной сети

Схема модели Ляховецкий, Боброва, 2009

Биологическое правдоподобие нейросетевой модели Moreover, many salient properties of neurons recorded in vivo during delay tasks are captured by the model. For example, during simulated delayed matching-to-sample tasks, some model neurons respond only during cue presentation, some only during the delay period, and others during both phases; some model neurons respond to intervening stimuli presented during the delay with brief increases in activity rising from the persistent level, others respond with brief decreases, and some model neurons exhibit a match enhancement to the presentation of the target stimulus. All these response types are frequently observed in vivo. [Durstewitz, Seamans, Sejnowski, 2000]

Результаты модельного опыта Позиционное кодирование. Координаты фигуры переводили в двоичную систему. Присутствует primacy-effect при моделировании воспроизведения.

Распределения ошибок (модель + испытуемые) Модельные распределения ошибок положения при позиционном кодировании не отличаются от распределений ошибок испытуемых, что согласуется с литературными данными [Hudson, Landy, 2012].

Выводы Распределение пространственных ошибок зависит от задачи (заучивание последовательности движений / положений фигуры), но не от инструкции (узнавание / полное воспроизведение). Разработана нейросетевая модель, качественно воспроизводящая при позиционном кодировании распределения пространственных ошибок испытуемых. Результаты свидетельствуют в пользу теорий о независимой от инструкции внутренней репрезентации информации в пространственной памяти. Что будет с распределениями ошибок при обучении заучиванию?

Распределения ошибок (моторное обучение) По [Hudson, Landy, 2012]. Кодирование остается позиционным, но все больше указующих движений руки становится ближе к цели.

Распределения ошибок (обучение заучиванию позиций) Обучение заучиванию шло до полного успешного воспроизведения. Распределение ошибок в первом опыте достоверно отличается от распределения ошибок в остальных опытах.

Гипотезы Меняется схема кодирования; Старшие биты при позиционном кодировании кодируются надежнее, чем младшие; При кодировании наивные испытуемые используют не матрицу 8*8, а матрицу меньшего размера (например, 7*7).