[论文解读] The modularity of action and perception revisited using control theory and active inference

Manuel Baltieri, Christopher L. Buckley|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Embodied and Extended Cognition参考文献 63被引用 20

一句话总结

本文认为，感知与行动的经典分离——这是福多模块性理论和“经典三明治”模型的核心——在控制理论的分离原理中具有形式基础，该原理假设存在模块化、封装的系统。然而，作者指出该原理过于严格且在生物学上不可行，因此主张采用主动推断作为非模块化、符合4E认知理论的框架，通过自由能最小化统一感知与行动，从而摒弃对独立估计与控制模块的需求。

ABSTRACT

The assumption that action and perception can be investigated independently is entrenched in theories, models and experimental approaches across the brain and mind sciences. In cognitive science, this has been a central point of contention between computationalist and 4Es (enactive, embodied, extended and embedded) theories of cognition, with the former embracing the “classical sandwich”, modular, architecture of the mind and the latter actively denying this separation can be made. In this work we suggest that the modular independence of action and perception strongly resonates with the separation principle of control theory and furthermore that this principle provides formal criteria within which to evaluate the implications of the modularity of action and perception. We will also see that real-time feedback with the environment, often considered necessary for the definition of 4Es ideas, is not however a sufficient condition to avoid the “classical sandwich”. Finally, we argue that an emerging framework in the cognitive and brain sciences, active inference, extends ideas derived from control theory to the study of biological systems while disposing of the separation principle, describing non-modular models of behaviour strongly aligned with 4Es theories of cognition.

研究动机与目标

• 检验感知与行动的经典分离是否在形式上得到控制理论的支持。
• 评估分离原理在认知与神经系统的生物合理性。
• 论证主动推断为感知与行动的古典架构提供了一种非模块化、符合4E的替代方案。
• 识别反馈回路不必然消除模块性的条件。
• 提出可检验的标准，以在生物体中区分模块化与非模块化系统。

提出的方法

• 将控制理论的分离原理应用于形式化认知系统中感知（估计）与行动（控制）的独立性。
• 分析分离在最优条件下成立的严格数学条件：线性系统、高斯噪声、二次代价、已知输入与协方差。
• 与主动推断进行对比，后者通过将感知与行动整合进单一的自由能最小化过程，拒绝分离原理。
• 以自由能原理作为统一框架，无需传入信号副本或显式模块分离。
• 强调主动推断不假设信息封装，因此与4E认知理论保持一致。
• 提出未来实验设计以检验模块性，特别是关于传出复制与传出传入信号的问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 传感器运动反馈的存在是否必然使经典的感知与行动三明治架构失效？
• RQ2 控制理论中的分离原理在多大程度上可作为认知模块性的有效形式基础？
• RQ3 主动推断能否为感知与行动提供一种生物上合理的非模块化替代方案？
• RQ4 区分认知系统中模块化与非模块化系统的正式与实证标准是什么？
• RQ5 缺乏传出复制或传入信号如何挑战感知与行动的经典分离？

主要发现

• 控制理论中的分离原理在形式上支持经典三明治架构，为模块化感知与行动提供了数学基础。
• 该分离原理仅在高度受限条件下成立——线性动力学、高斯噪声、二次代价——因此对真实大脑而言在生物学上不可行。
• 即使存在闭环反馈，只要分离原理成立，模块性仍可维持，这意味着反馈本身并不必然意味着非模块性。
• 主动推断通过在自由能最小化下统一感知与行动，拒绝了分离原理，与4E认知理论保持一致。
• 主动推断模型中缺乏传出复制或传入信号，削弱了经典模块化架构，支持非模块化、具身认知的范式。
• 本文提出了可检验的实验标准——特别是关于传出复制——以在生物体中通过实证手段区分模块化与非模块化系统。