[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出，生物体的有意识自组织源于通过马尔可夫毯（Markov blanket）修剪感官与动作依赖关系所中介的内部状态与外部状态之间的近似同步。利用耦合复桂兰方程（coupled complex Ginzburg-Landau equations），研究表明仅当条件依赖关系具有特定稀疏性与修剪结构时，而非任意耦合，才能实现同步；这种同步对于感知与行动至关重要，从而使得非平衡稳态下的自由能最小化成为可能。

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.

研究动机与目标

• 建立一个能够维持生物自组织所必需的非平衡稳态（NESS）的最小动力学模型。
• 研究马尔可夫毯如何在分离内部状态与外部状态的同时，通过修剪后的条件依赖关系实现同步。
• 证明仅特定的耦合结构——以稀疏性与修剪为特征——才能导致内部与外部动力学之间的同步。
• 为在感知与行动背景下连接热力学自由能与变分自由能奠定基础。
• 为理解代理如何通过近似同步推断环境状态提供基础，这是生存的先决条件。

提出的方法

• 使用耦合复桂兰方程（CGLE）作为耗散性、远离平衡态动力学的最小模型。
• 引入马尔可夫毯，基于条件独立性正式区分内部状态与外部状态。
• 采用从CGLE导出的热力学自由能泛函（李雅普诺夫函数）来表征系统向非平衡稳态（NESS）演化的特性。
• 在感官场与动作场之间施加对称的有限元网格耦合，以限制数值刚性，并实现八个耦合偏微分方程的迭代求解。
• 将感知-动作循环建模为反馈回路，其中感官输入驱动内部状态，而内部状态生成影响环境的动作。
• 利用混沌假说与SRB测度的存在性分析向非平衡稳态的收敛性，暗示长期动力学具有遍历性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在感官与内部状态之间何种耦合条件下，耗散性动力系统中会涌现出同步？
• RQ2 条件依赖关系的结构——特别是稀疏性与修剪——如何促成内部与外部状态之间的同步？
• RQ3 马尔可夫毯在代理与其环境之间传递信息与能量的过程中起到何种作用？
• RQ4 在一个通过感知与动作最小化意外性的系统中，热力学自由能与变分自由能如何关联？
• RQ5 同步流形的存在以何种方式使代理能够最小化预测误差并近似环境状态？

主要发现

• 感官信号与内部状态之间的任意耦合无法产生同步；只有经过修剪、具有结构的依赖关系才能导致同步。
• 内部与外部状态之间的同步仅在马尔可夫毯对感官与动作信号的空间与时间结构施加适当约束时才会出现。
• 系统收敛至一个非平衡稳态（NESS），其特征为西纳伊-鲁埃-鲍文（Sinai-Ruelle-Bowen, SRB）测度，表明其动力学具有混沌性但统计上稳定。
• 从CGLE导出的热力学自由能泛函作为李雅普诺夫函数，确保在模型动力学下系统收敛至NESS。
• 同步流形的存在使代理能够最小化预测误差，暗示了在感知中实现近似贝叶斯推断的机制。
• 该框架通过变分自由能，正式建立了热力学熵产生与香农熵之间的联系，这是统一自组织系统中物理与信息能量的关键一步。