Cours 2012: Le cerveau statisticien: L é l ti B é i i iti La révolution

Cours2012:
Lecerveaustatisticien:
Lélti
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u
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B
ay
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s
i
enne ensc
i
encescogn
iti
ves
Stanislas Dehaene
Stanislas
Dehaene
ChairedePsychologieCognitiveExpérimentale
Coursn°7
Lecerveauvucommeunsystèmeprédictif
Lanotionde«codageprédictif »(predictive coding)
Mumford,1992;Rao&Ballard,1999;Friston,2005
L’hypothèsedu«cerveauBayésien »
suggèrequenotrecerveauinfère,à
partir des entrées sensorielles, un
partir
des
entrées
sensorielles,
un
modèleinterne dumondeextérieur.
Asontour,cemodèleinternepeutêtre
utilisé pour créer des
anticipations
sur
utilisé
pour
créer
des
anticipations
sur
lesentréessensorielles…
etuneffetdesurprise liéeàl’erreurde
prédiction
ci sont violées
prédiction
ci
sont
violées
.
Lanotionde«codageprédictif »
(
p
redictive coding)
L’idéequelecerveaun’estpasundispositifpassif
d’entréesortie,maisunsystèmeactifcapablede
g
énérerdes
p
rédictionsetd’envérifierlavalidité
,
g p ,
aunelonguehistoiredanslesdomainesde
l’éthologie,delapsychologie,etdesneurosciences.
v
o
ir
pa
r
e
x
e
m
p
l
e
l
es
co
n
cepts
de
cop
i
e
opa ee pees co cepts de cop e
efférente(von Helmholtz,von Holst),decritique
interne(Sutton &Barto)oudeprédictiondela
récom
p
ense
(
Schultz
)
p()
Lesavantagesensontnombreux:
gagnerdutemps:anticiper,c’estavoirl’informationàl’avance,parfoisavantmême
qu
elle atteigne nos récepteurs sensoriels
qu elle
atteigne
nos
récepteurs
sensoriels
filtrerlesentrées:utiliserlepassépourprédireleprésent,c’estbénéficierd’unfiltre
optimalquipeutaideràinterpréteruneentréebruitée,voireremplacertotalementun
stimulus masqué manqué ou absent
stimulus
masqué
,
manqué
ou
absent
.
simplifierl’architectureetletraitementdesdonnées:iln’estpaslapeinedereprésenter
oudetransmettrecequel’onpeutprédire.
i d
ifé il
ii libl (
h|
)d’ dèl d
t
i
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)
d’
unmo
dèl
e
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entréessensoriellesimpliquedeminimiserl’erreurdeprédictionsurcesentréese.
(Mumford,1992;Rao&Ballard,1999;Friston,2005).
Lecerveau,l’algorithmeEMetleprincipedel’énergielibre
Friston K (2010) The free
-
energy principle: a unified brain theory?
Nat Rev
Neurosci
11(2) 127
138
PourKarlFriston,l’hypothèseducodageprédictif s’inscritdansuncadrethéorique
beaucouppluslarge,leprincipedeminimisationdel’énergielibre:
Friston
,
K
.
(2010)
.
The
free
-
energy
principle:
a
unified
brain
theory?
Nat
Rev
Neurosci
,
11(2)
,
127
-
138
.
«toutsystèmeautoorganiséenéquilibreavecsonenvironnementdoitminimiserson
énergielibre »
Leprincipedel’énergielibreestune« formulationmathématiquedelamanièredontles
agentsbiologiquesrésistentàlatendancenaturelleausordre »:ils« maintiennent leur
étatdansunenvironnementchangeant ».
Lesétatsdel’organismedoiventdoncêtredebasseentropie:«lesagentsbiologiques
di t ii i l à l t d l i
d
o
i
ven
t
m
i
n
i
m
i
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l
amoyenne
à
l
ong
t
erme
d
e
l
asurpr
i
se ».
Lénergielibreestuneéquationmathématiquequidonneunebornesupérieuresurla
surprise:«silesagentsminimisentl’énergielibre,ilsminimisentimplicitementlasurprise ».
Dans le domaine de la perception le principe conduit à
optimiser les inférences
Dans
le
domaine
de
la
perception
,
le
principe
conduit
à
optimiser
les
inférences
perceptives.«Lagentinfèreoureprésente,defaçonimplicite,lescausesdesesentrées
sensoriellesselonlesprincipesdel’inférenceBayésienne optimale »
L
énergie libre peut être maximisée par l
'
algorithme EM
(
Expectation
Maximisation
)proposé
nergie
libre
peut
être
maximisée
par
l
algorithme
EM
(
Expectation
Maximisation
)
,
proposé
parDempsteretal.(1977):uneprocédureitérative qui,enalternantdeuxétapes(EetM)de
façonrépétée,permetdetrouverle maximumdevraisemblance oulemaximumaposteriori
des paramètres d
un modèle probabiliste.
des
paramètres
dun
modèle
probabiliste.
FristonproposequelecerveauutiliseunalgorithmeEM,cequi,silemodèlegénérateurest
Gaussien,revientàpropagerdeserreursdeprédiction.
Versunethéoriegénéraledel’organisationducortex?
Friston, K.
(
2005
)
. A theor
y
of cortical res
p
onses. Philos Trans R Soc
L
ond
B
B
io
l
Sci, 360
(
1456
)
, 815-836.
() y p
()
Nossensationssontnéréesparunseaucomplexeethiérarchiquedecauses.
Notrecortexchercheàinversercemodèle(ausensdeBayes):inférerlescausescachéesde
nos sensations àtous les niveaux.
nos
sensations
à
tous
les
niveaux.
Laformalisationdeceproblèmeinviteà(1)assigneràchaqueniveaud’inférencecausale
uneairespécifique(2)utiliserunalgorithmebidirectionneldepassationdemessages.
L d h
L
esneurones
d
escouc
h
es
inférieuresimplémententla
représentationdescauses.
Les connections
Les
connections
descendantes implémentent
lemodèleprédictif(forward
model)
:la prédiction du
model)
:
la
prédiction
du
niveaun,surlabasedes
connaissancesauniveaun+1.
Les connections
ascendantes
,
Les
connections
ascendantes
,
issuesdescouches
supérieuresducortex,
transmettentl’erreurde
prédiction:ladifférenceentre
l’entréereçueetsaprédiction.
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