[논문 리뷰] Sentient Self-Organization: Minimal dynamics and circular causality

Biswa Sengupta, Karl Friston|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 18.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 생물학적 에이전트에서 정신적 자율성(self-organization)이 마르코프 블랭킷(Markov blanket)을 통해 감각 및 행동의 종속성을 잘라내는 가운데 내부 상태와 외부 상태 간의 근사적 동기화에서 기인한다고 제안한다. 복소 기니스터-랜드อ우 방정식(CGL)을 사용하여, 유일하게 특정한 희박성과 종속성 잘라내기(pruning)를 가진 결합만이 동기화를 가능하게 하며, 이는 인지 및 행동에 필수적이며, 비균형 안정 상태에서 자유 에너지 최소화를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 자율성에 필수적인 비균형 안정 상태(NESS)를 유지할 수 있는 최소한의 역학 모델을 수립하기 위해.
• 마르코프 블랭킷이 내부 상태와 외부 상태를 분리하면서도, 잘라낸 조건부 종속성들을 통해 동기화를 가능하게 하는 방식을 조사하기 위해.
• 내부 및 외부 역학 간의 동기화를 이끌어내는 것은 오직 특정한 결합 구조—희박성과 종속성 잘라내기로 특징지어진 것—뿐임을 입증하기 위해.
• 인지 및 행동의 맥락에서 열역학적 자유 에너지와 변분 자유 에너지 간의 연결 고리를 마련하기 위해.
• 에이전트가 근사적 동기화를 통해 환경 상태를 추론할 수 있는 기반을 제공함으로써 생존에 필수적인 조건을 마련하기 위해.

제안 방법

• 비균형 상태에서의 소산적 역학을 위한 최소 모델로 결합된 복소 기니스터-랜드오우 방정식(CGLE)을 사용한다.
• 조건부 독립성 기반으로 내부 상태와 외부 상태를 공식적으로 분리하는 마르코프 블랭킷을 도입한다.
• CGLE에서 유도된 열역학적 자유 에너지 기능(리아푸노프 함수)을 사용하여 시스템의 진화가 NESS로 향하는 특성을 기술한다.
• 수치적 강성 문제를 완화하고 여덟 개인 비선형 편미분방정식(PDE)의 반복적 해법을 가능하게 하기 위해 감각 필드와 행동 필드 간에 대칭적이고 유한요소 메쉬 기반의 결합을 적용한다.
• 감각-행동 사이클을 피드백 루프로 모델링하여, 감각 입력이 내부 상태를 자극하고, 내부 상태가 환경에 영향을 주는 행동을 생성하도록 한다.
• 혼돈 가정과 SRB 측도의 존재를 활용하여, 장기적 역학에서의 에르고딕성을 암시함으로써 비균형 안정 상태로의 수렴을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감각 상태와 내부 상태 간의 어떤 결합 조건에서 비균형 소산적 역학계에서 동기화가 발생하는가?
• RQ2 특히 희박성과 종속성 잘라내기로 특징지어진 조건부 종속성의 구조가 내부 상태와 외부 상태 간의 동기화를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 마르코프 블랭킷이 에이전트와 환경 간의 정보 및 에너지 교환을 어떻게 매개하는가?
• RQ4 인지 및 행동을 통해 놀라움을 최소화하는 시스템에서 열역학적 자유 에너지와 변분 자유 에너지를 어떻게 연결할 수 있는가?
• RQ5 동기화 다양체의 존재가 어떻게 에이전트가 예측 오차를 최소화하고 환경 상태를 근사적으로 추론할 수 있도록 하는가?

주요 결과

• 감각 자극과 내부 상태 간의 임의의 결합은 동기화를 유도하지 못하며, 오직 잘라낸 구조적 종속성만이 동기화를 가능하게 한다.
• 내부 상태와 외부 상태 간의 동기화는 마르코프 블랭킷에 의해 감각 신호와 행동 신호의 공간적·시간적 구조가 적절히 제약을 받을 때에만 발생한다.
• 시스템은 시그마-르에-보윈(SRB) 측도로 특징지어진 비균형 안정 상태(NESS)로 수렴하며, 이는 혼돈적이지만 통계적으로 안정된 역학을 의미한다.
• CGLE에서 유도된 열역학적 자유 에너지 기능은 리아푸노프 함수로 작용하여, 모델의 역학 하에서 NESS로의 수렴을 보장한다.
• 동기화 다양체의 존재는 에이전트가 예측 오차를 최소화할 수 있게 하며, 이는 인지에서 근사적 베이지안 추론의 메커니즘을 시사한다.
• 이 프레임워크는 변분 자유 에너지를 통해 열역학적 엔트로피 생산과 샤논 엔트로피 간의 공식적 연결 고리를 제공하며, 자율 시스템에서 물리적 에너지와 정보적 에너지를 통합하는 데 핵심적인 단계를 이룬다.