[논문 리뷰] Space as an invention of biological organisms

Alexander V. Terekhov, J. Kevin Ο’Regan|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 09.

Embodied and Extended Cognition참고 문헌 4인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 공간이 우주에 선존하는 객관적 물리적 실체가 아니라 생물학적 생물체의 감각운동 관례로부터 기인하는 기이한 구조물이라고 제안한다. 수학적 모델링과 시뮬레이션을 통해, 공간에 대한 사전 지식이 없는 에이전트가 감각운동 일치성에 의해 강체 이동을 표현할 수 있음을 보여주며, 물리적 현실과는 독립된 기능적 공간 개념을 창출함을 입증한다.

ABSTRACT

The question of the nature of space around us has occupied thinkers since the dawn of humanity, with scientists and philosophers today implicitly assuming that space is something that exists objectively. Here we show that this does not have to be the case: the notion of space could emerge when biological organisms seek an economic representation of their sensorimotor flow. The emergence of spatial notions does not necessitate the existence of real physical space, but only requires the presence of sensorimotor invariants called `compensable' sensory changes. We show mathematically and then in simulations that naïve agents making no assumptions about the existence of space are able to learn these invariants and to build the abstract notion that physicists call rigid displacement, which is independent of what is being displaced. Rigid displacements may underly perception of space as an unchanging medium within which objects are described by their relative positions. Our findings suggest that the question of the nature of space, currently exclusive to philosophy and physics, should also be addressed from the standpoint of neuroscience and artificial intelligence.

연구 동기 및 목표

• 우주에 공간이 객관적이고 사전에 존재하는 구조물이라고 가정하는 것을 도전한다.
• 생물학적 에이전트가 감각운동 경험만으로 공간 개념을 어떻게 구성할 수 있는지 조사한다.
• 강체 이동 개념—공간 인식의 핵심 요소—이 공간에 대한 사전 지식 없이 감각운동 조건에서 어떻게 기인할 수 있는지 보여준다.
• 이러한 공간 구조가 물리적 강체 이동과 수학적으로 동치임을 보여주며, 그 기원이 인지적임을 입증한다.

제안 방법

• 감각운동 조건을 시뮬레이션하기 위해 이동 가능한 광수용체와 체위감각 피드백을 갖춘 1차원 에이전트를 모델링한다.
• 환경 또는 에이전트의 이동 후에도 감각 입력이 동일한 감각운동 일치성—즉, 변화가 없는 관계—을 이용해 관례적인 관계를 식별한다.
• 이동 전후의 체위감각 상태를 매핑하는 함수 φ를 정의하여, 강체 운동의 인지적 등가를 포착한다.
• 모델을 2차원 에이전트와 주파수 및 코드를 인지하는 청각 에이전트로 확장하여 기제를 일반화한다.
• φ 함수의 집합이 물리적 강체 이동과 동형인 군을 이룬다는 것을 보여주며, 일관된 공간 표현의 기반을 마련한다.
• 프레임워크를 청각 인지에 적용하여, 음악 코드의 옮김이 주파수 기반의 기능적 공간 구조를 생성함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 공간에 대한 지식이 없는 에이전트도 여전히 기능적 공간 구조를 표현할 수 있는가?
• RQ2 강체 이동 개념을 유추하기 위해 어떤 감각운동 관례가 충분한가?
• RQ3 사전에 존재하는 공간 매체를 전제로 하지 않고 감각운동 경험에서 공간 인식이 어떻게 기인할 수 있는가?
• RQ4 인지적 함수 φ가 물리적 강체 변환의 수학적 성질을 어느 정도 반영하는가?
• RQ5 동일한 기제가 청각 주파수와 같이 비공간적 모odalities에서도 공간 유사 표현을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 에이전트는 자신의 물리적 위치나 공간 존재 여부를 알지 못하더라도 감각운동 일치성을 통해 강체 이동을 표현할 수 있다.
• 이동 전후의 감각 출력을 매칭하여 유도된 함수 φ는 물리적 강체 이동과 동형인 군을 이룬다. 이는 수학적으로 일관된 공간 구조임을 시사한다.
• 다양한 초기 위치와 환경 구성에서도 φ 함수가 일관되게 학습되며, 안정적이고 관례적인 인지적 구조가 드러난다.
• 이 기제는 시각을 초월해 일반화된다: 주파수를 인지하는 청각 에이전트도 주파수 이동 기반으로 기능적 공간 표현을 동일하게 구성할 수 있다.
• 결과로 유도된 인지적 공간은 '감각적'이다—에이전트의 감각운동 도메인 내에서만 정의되지만, 물리적 공간의 핵심 관례를 포착한다.
• 공간 표현의 기원은 공간의 존재를 전제로 하지 않으며, 오직 보상 가능한 감각 변화(감각운동 관례)의 존재에 의존한다.