[論文レビュー] Space as an invention of biological organisms

Alexander V. Terekhov, J. Kevin Ο’Regan|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2013

Embodied and Extended Cognition参考文献 4被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、空間が宇宙に事前に存在する客観的物理的実体であるのではなく、生物的個体におけるセンサモーター不変性から生じる生成的構造であると提唱する。数学的モデリングとシミュレーションを用いて、空間の知識が事前にないエージェントが、センサモーターの一致から剛体的移動を表現する能力を学習できることを示し、物理的現実とは独立した機能的空間概念を発明することを実証する。

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.

研究の動機と目的

• 空間が宇宙に事前に存在する客観的構造であるという仮定に挑戦すること。
• 生物的エージェントがセンサモーター経験のみを通じて空間の概念を構築できるかを調査すること。
• 空間知覚の根幹をなす剛体的移動という概念が、空間の事前の知識なしにセンサモーターの条件からどのように出現するかを示すこと。
• このような空間的構造が、知覚的起源であるにもかかわらず、物理的剛体移動と数学的に同等であることを示すこと。

提案手法

• 1次元のエージェントをモデリングし、可動性のある光受容体と本体感覚フィードバックを用いてセンサモーター条件を模擬する。
• 環境またはエージェントの移動後に感覚入力が変化しない「センサモーターの一致」を用い、不変関係を同定する。
• 移動前のプロ prioceptive 状態と移動後の状態を結ぶ関数 φ を定義し、剛体運動の知覚的同等を捉える。
• 2次元エージェントおよび周波数とコードを感知する聴覚エージェントを用いて、メカニズムの一般化を試みる。
• φ 関数の集合が、物理的剛体移動と群同型であることを示し、一貫した空間的表現の基盤を提供する。
• フレームワークを聴覚的知覚に応用し、音楽コードのトランスポジションが周波数に基づいて機能的空間構造を生成することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的空間の知識が全くないエージェントでも、機能的空間構造の表現を発達させられるか？
• RQ2 剛体的移動という概念を推論するために十分なセンサモーター不変性は何か？
• RQ3 事前に存在する空間的媒体を仮定せずに、センサモーター経験から空間の知覚がどのように生じるか？
• RQ4 知覚的関数 φ が物理的剛体変換の数学的性質をどの程度模倣するか？
• RQ5 同じメカニズムが視覚的でないモodalities、例えば聴覚的周波数においても空間的類似表現を生成できるか？

主な発見

• エージェントは、自らの物理的位置や空間の存在を知らない状態でも、センサモーターの一致を通じて剛体的移動を表現できる。
• 移動前の後での感覚出力を照合することで得られる関数 φ は、物理的剛体移動と群同型をなすため、数学的に整合性のある空間的構造を示している。
• 異なる初期位置や環境設定に対しても、φ 関数は一貫して学習され、安定的かつ不変な知覚的構造が明らかになる。
• このメカニズムは視覚を超えて一般化可能である：周波数を感知する聴覚エージェントも、周波数シフトに基づいて同様に機能的空間表現を構築できる。
• 得られる知覚的空間は「感覚的」である——エージェントのセンサモーター領域内に完全に定義される——が、物理的空間の本質的不変性を捉えている。
• 空間的表現の出現は、物理的空間の仮定に依存するのではなく、補償可能な感覚的変化（センサモーター不変性）の存在に依存する。