[論文レビュー] Sentient Self-Organization: Minimal dynamics and circular causality

Biswa Sengupta, Karl Friston|arXiv (Cornell University)|May 18, 2017

Neural dynamics and brain function参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、生物的エージェントにおける自己組織的である知覚の根源的要因が、マーカフ・ブラケットによって媒介される感覚的・行動的依存関係の剪定を経て、内部状態と外部状態の間の近似的な同期化に起因することを提案する。複素ギンツブルグ＝ランダウ方程式（CGLE）を用いて、任意の結合ではなく、特定のスパarsity（スパarsity）と依存関係の剪定—のみが同期を可能にし、これが知覚と行動に不可欠であることを示している。この同期は、非平衡定常状態における自由エネルギーの最小化を可能にする。

ABSTRACT

Theoretical arguments and empirical evidence in neuroscience suggests that organisms represent or model their environment by minimizing a variational free-energy bound on the surprise associated with sensory signals from the environment. In this paper, we study phase transitions in coupled dissipative dynamical systems (complex Ginzburg-Landau equations) under a variety of coupling conditions to model the exchange of a system (agent) with its environment. We show that arbitrary coupling between sensory signals and the internal state of a system -- or those between its action and external (environmental) states -- do not guarantee synchronous dynamics between external and internal states: the spatial structure and the temporal dynamics of sensory signals and action (that comprise the system's Markov blanket) have to be pruned to produce synchrony. This synchrony is necessary for an agent to infer environmental states -- a pre-requisite for survival. Therefore, such sentient dynamics, relies primarily on approximate synchronization between the agent and its niche.

研究の動機と目的

• 生物的自己組織化に不可欠な非平衡定常状態（NESS）を維持できる最小限の力学的モデルを確立すること。
• マーカフ・ブラケットが内部状態と外部状態を分離しつつ、剪定された条件付き依存関係を通じて同期を可能にするメカニズムを調査すること。
• 内部状態と外部状態のダイナミクスの間で同期が生じるためには、スパarsity（スパarsity）と剪定が特徴的な特定の結合構造—のみが有効であることを示すこと。
• 知覚と行動の文脈において、熱力学的自由エネルギーと変分的自由エネルギーを結びつける基盤を提供すること。
• エージェントが環境状態を近似的に同期することで推論するメカニズムを理解する基盤を提供すること。これは生存に不可欠な前提条件である。

提案手法

• 散逸的で非平衡なダイナミクスを最小限のモデルとして複素ギンツブルグ＝ランダウ方程式（CGLE）を用いる。
• 条件付き独立性に基づいて、内部状態と外部状態を明示的に分離するマーカフ・ブラケットを導入する。
• CGLEから導出された熱力学的自由エネルギー関数（リャプノフ関数）を用いて、系の進化が非平衡定常状態（NESS）へ向かう特性を特徴づける。
• 数値的剛性を抑えるために、感覚フィールドと行動フィールドの間で対称的かつ有限要素メッシュ結合を導入し、8つの結合された偏微分方程式の反復的解法を可能にする。
• 感覚と行動のサイクルをフィードバックループとしてモデル化し、感覚入力が内部状態を駆動し、内部状態が行動を生成して環境に影響を与える仕組みを再現する。
• カオス仮説とSRB測度の存在を用いて、非平衡定常状態への収束を分析し、長期的なダイナミクスにおいてエルゴディシティが成立することを示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 感覚的状態と内部状態の間で、どのような結合条件のもとで散逸的力学系において同期が生じるか？
• RQ2 特にスパarsity（スパarsity）と剪定という構造的特徴を持つ条件付き依存関係の構造が、内部状態と外部状態の間で同期を可能にする仕組みは何か？
• RQ3 マーカフ・ブラケットがエージェントと環境との間で情報とエネルギーの交換をどのように媒介するか？
• RQ4 知覚と行動を通じて予測誤差を最小化するシステムにおいて、熱力学的自由エネルギーと変分的自由エネルギーをどのように結びつけるか？
• RQ5 同期多様体の存在が、エージェントが予測誤差を最小化し、環境状態を近似的に推定するのをどのように可能にするか？

主な発見

• 感覚信号と内部状態の間で任意の結合を設けても同期は生じない。同期が実現するのは、剪定され、構造化された依存関係の下でのみである。
• 内部状態と外部状態の間で同期が生じるためには、マーカフ・ブラケットによって感覚的および行動的信号の空間的・時間的構造が適切に制約されている必要がある。
• 系は、シナ・ルエッリ＝ボーエン（SRB）測度によって特徴づけられる非平衡定常状態（NESS）へ収束する。これはカオス的ではあるが統計的に安定なダイナミクスを示している。
• CGLEから導出された熱力学的自由エネルギー関数は、リャプノフ関数として機能し、モデルのダイナミクス下でNESSへの収束を保証する。
• 同期多様体の存在により、エージェントは予測誤差を最小化でき、知覚における近似的ベイズ推論のメカニズムが示唆される。
• この枠組みにより、熱力学的エントロピー生成とシャノン・エントロピーとの間の正式なリンクが、自己組織的系における物理的エネルギーと情報的エネルギーの統合への重要な一歩となる。