إطار عمل التنبؤ بالذاكرة

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

إطار التنبؤ بالذاكرة هو نظرية لوظائف الدماغ وضعها جيف هوكينز ووصفها في كتابه " عن الذكاء" الصادر عام 2004. تتناول هذه النظرية دور القشرة المخية الحديثة لدى الثدييات وارتباطاتها بالحصين والمهاد في مطابقة المدخلات الحسية مع أنماط الذاكرة المخزنة ، وكيف تؤدي هذه العملية إلى التنبؤ بما سيحدث في المستقبل.

ملخص

تستند هذه النظرية إلى أوجه التشابه الملحوظة بين بنى الدماغ (وخاصة نسيج القشرة المخية الحديثة ) المستخدمة في طيف واسع من السلوكيات المتاحة للثدييات. وتفترض النظرية أن الترتيب الفيزيائي المتجانس بشكل ملحوظ لنسيج القشرة المخية يعكس مبدأً أو خوارزمية واحدة تُشكل أساس جميع عمليات معالجة المعلومات في القشرة المخية. ويُفترض أن مبدأ المعالجة الأساسي هو حلقة تغذية راجعة/استرجاع تتضمن مشاركة قشرية وخارج قشرية (وخاصة من المهاد والحصين ).

النظرية الأساسية: التعرف والتنبؤ في التسلسلات الهرمية ثنائية الاتجاه

تتمثل الفكرة الأساسية لإطار عمل الذاكرة والتنبؤ في مطابقة المدخلات التصاعدية ضمن تسلسل هرمي للتعرف ، مما يُثير سلسلة من التوقعات التنازلية المُشفّرة على شكل إشارات مُعززة. تتفاعل هذه التوقعات مع الإشارات التصاعدية لتحليل تلك المدخلات وتوليد تنبؤات بالمدخلات المتوقعة اللاحقة. يحتفظ كل مستوى من مستويات التسلسل الهرمي بتسلسلات زمنية متكررة لأنماط الإدخال، ويُنشئ تصنيفات أو "أسماء" لهذه التسلسلات. عندما يتطابق تسلسل إدخال مع تسلسل مُخزّن في مستوى مُحدد من التسلسل الهرمي، ينتشر تصنيف أو "اسم" إلى أعلى التسلسل الهرمي، مما يُزيل التفاصيل في المستويات الأعلى ويُمكّنها من تعلم تسلسلات ذات ترتيب أعلى. تُنتج هذه العملية زيادة في الثبات في المستويات الأعلى. تتنبأ المستويات الأعلى بالمدخلات المستقبلية من خلال مطابقة التسلسلات الجزئية وإسقاط توقعاتها على المستويات الأدنى. مع ذلك، عند حدوث عدم تطابق بين المدخلات والتسلسلات المُخزّنة/المتوقعة، ينتشر تمثيل أكثر اكتمالًا إلى أعلى. وهذا يؤدي إلى تفعيل "تفسيرات" بديلة على مستويات أعلى، مما يؤدي بدوره إلى توليد تنبؤات أخرى على مستويات أدنى.

لنأخذ عملية الإبصار كمثال. تبدأ المعلومات من الأسفل إلى الأعلى كإشارات شبكية بسيطة (تشير إلى وجود عناصر بصرية بسيطة وتباينات). في المستويات الأعلى من التسلسل الهرمي، تُستخلص معلومات ذات دلالة متزايدة، تتعلق بوجود الخطوط والمناطق والحركات ، وما إلى ذلك. وفي مستويات أعلى من التسلسل الهرمي، يرتبط النشاط بوجود أشياء محددة، ثم بسلوكيات هذه الأشياء. أما المعلومات من الأعلى إلى الأسفل فتُضيف تفاصيل حول الأشياء المُتعرَّف عليها، وكذلك حول سلوكها المتوقع مع مرور الوقت.

يُحدث التسلسل الهرمي الحسي عدداً من الاختلافات بين المستويات المختلفة. فكلما ارتقينا في هذا التسلسل، زادت التمثيلات الحسية .

  • المدى – على سبيل المثال، مساحات أكبر من المجال البصري، أو مناطق لمسية أكثر اتساعًا.
  • الاستقرار الزمني - تتغير الكيانات ذات المستوى الأدنى بسرعة، بينما تميل المدركات ذات المستوى الأعلى إلى أن تكون أكثر استقرارًا.
  • التجريد – من خلال عملية الاستخراج المتتالي للسمات الثابتة، يتم التعرف على الكيانات المجردة بشكل متزايد.

تُعدّ العلاقة بين المعالجة الحسية والحركية جانبًا مهمًا من النظرية الأساسية. يُقترح أن المناطق الحركية في القشرة الدماغية تتكون من تسلسل هرمي سلوكي مشابه للتسلسل الهرمي الحسي، حيث تشمل المستويات الدنيا أوامر حركية صريحة للعضلات، بينما تُقابل المستويات العليا تعليمات مجردة (مثل "تغيير حجم نافذة المتصفح"). يرتبط التسلسلان الهرميان الحسي والحركي ارتباطًا وثيقًا، إذ يُولّد السلوك توقعات حسية، بينما تُحفّز الإدراكات الحسية العمليات الحركية.

وأخيرًا، يجب تعلم جميع الذكريات في التسلسل الهرمي القشري؛ فهذه المعلومات ليست مُبرمجة مسبقًا في الدماغ. ولذلك، يُفترض أن عملية استخلاص هذا التمثيل من تدفق المدخلات والسلوكيات هي عملية تحدث باستمرار أثناء الإدراك .

شروط أخرى

يتمتع هوكينز بتدريب مكثف كمهندس كهربائي. ويمكن وصف النظرية بطريقة أخرى (أشار إليها في كتابه) بأنها تسلسل هرمي للتعلم لآلات الحالة العشوائية ذات التغذية الأمامية . من هذا المنظور، يُحلل الدماغ كمشكلة ترميز، لا تختلف كثيرًا عن رموز تصحيح الأخطاء التي تتنبأ بالمستقبل. هذا التسلسل الهرمي هو تسلسل هرمي للتجريد ، حيث تمثل حالات الآلات ذات المستوى الأعلى ظروفًا أو أحداثًا أكثر تجريدًا، وتُهيئ هذه الحالات الآلات ذات المستوى الأدنى لأداء انتقالات معينة. تُنمذج الآلات ذات المستوى الأدنى مجالات محدودة من الخبرة، أو تتحكم في أجهزة الاستشعار أو المؤثرات أو تفسرها. في الواقع، يتحكم النظام بأكمله في سلوك الكائن الحي. ولأن آلة الحالة "تغذية أمامية"، يستجيب الكائن الحي للأحداث المستقبلية المتوقعة من البيانات السابقة. ولأنه هرمي، يُظهر النظام مرونة سلوكية، حيث يُنتج بسهولة تسلسلات سلوكية جديدة استجابةً لبيانات حسية جديدة. ولأن النظام يتعلم، يتكيف السلوك الجديد مع الظروف المتغيرة.

أي أن الغرض التطوري للدماغ هو التنبؤ بالمستقبل، بطرق محدودة بلا شك، من أجل تغييره.

التنفيذ العصبي الفيزيولوجي

يُفترض أن التسلسلات الهرمية الموصوفة أعلاه تحدث بشكل أساسي في القشرة المخية الحديثة للثدييات. وعلى وجه الخصوص، يُفترض أن القشرة المخية الحديثة تتكون من عدد كبير من الأعمدة (كما استنتج فيرنون بنجامين ماونت كاسل من اعتبارات تشريحية ونظرية). كل عمود مُهيأ لخاصية معينة على مستوى محدد في التسلسل الهرمي. ويتلقى مدخلات تصاعدية من المستويات الأدنى، ومدخلات تنازلية من المستويات الأعلى. (تُغذي أعمدة أخرى في نفس المستوى عمودًا معينًا، وتعمل في الغالب على تثبيط تمثيلات التنشيط الحصرية). عندما يتم التعرف على مُدخل ما - أي عندما يتم الحصول على توافق مقبول بين المصادر التصاعدية والتنازلية - يُولد العمود مُخرجات تنتشر بدورها إلى كل من المستويات الأدنى والأعلى.

القشرة الدماغية

تتوافق هذه العمليات بشكل جيد مع طبقات محددة ضمن قشرة دماغ الثدييات. (يجب عدم الخلط بين طبقات القشرة الدماغية ومستويات التسلسل الهرمي للمعالجة: فجميع الطبقات في عمود واحد تُشارك كعنصر واحد في مستوى هرمي واحد). تصل المدخلات الصاعدة إلى الطبقة الرابعة (L4)، ومنها تنتقل إلى الطبقتين الثانية (L2) والثالثة (L3) للتعرف على المحتوى الثابت. يصل التنشيط الهابط إلى الطبقتين الثانية والثالثة (L2) والثالثة (L3) عبر الطبقة الأولى (L1) (وهي الطبقة المحورية في الغالب التي توزع التنشيط محليًا عبر الأعمدة). تقارن الطبقتان الثانية والثالثة (L2) والمعلومات الصاعدة والهابطة، وتُنتجان إما "الأسماء" الثابتة عند تحقيق تطابق كافٍ، أو الإشارات الأكثر تباينًا التي تحدث عند فشل ذلك. تنتقل هذه الإشارات صعودًا في التسلسل الهرمي (عبر الطبقة الخامسة L5) وأيضًا نزولًا فيه (عبر الطبقتين السادسة L6 والأولى L1).

المهاد

لتفسير تخزين أنماط التسلسل والتعرف عليها، يُقترح دمج عمليتين. يعمل المهاد غير المتخصص كـ"خط تأخير"؛ أي أن الطبقة الخامسة (L5) تُنشّط هذه المنطقة الدماغية، التي بدورها تُنشّط الطبقة الأولى (L1) بعد تأخير طفيف. بالتالي، يُولّد ناتج أحد الأعمدة نشاطًا في الطبقة الأولى (L1)، والذي يتزامن مع مدخلات عمود لاحق زمنيًا ضمن التسلسل. يعمل هذا الترتيب الزمني بالتزامن مع تحديد التسلسل على مستوى أعلى، وهو أمر ثابت لا يتغير بمرور الوقت؛ لذا، يؤدي تنشيط تمثيل التسلسل إلى توقع مكونات المستوى الأدنى واحدًا تلو الآخر. (إلى جانب هذا الدور في التسلسل، ينشط المهاد أيضًا كمحطة إرشاد حسية ؛ ويبدو أن هذه الأدوار تشمل مناطق متميزة من هذا التركيب غير المتجانس تشريحيًا).

الحصين

يُعدّ الحصين بنية دماغية أخرى متنوعة تشريحيًا، ويُفترض أنها تلعب دورًا هامًا في الإدراك الهرمي . من المعروف أن تلف الحصينين يُضعف تكوين الذاكرة التصريحية طويلة الأمد ؛ فالأفراد الذين يعانون من هذا التلف غير قادرين على تكوين ذكريات جديدة ذات طبيعة عرضية، على الرغم من قدرتهم على استرجاع الذكريات السابقة بسهولة، وقدرتهم أيضًا على تعلم مهارات جديدة. في النظرية الحالية، يُنظر إلى الحصينين على أنهما أعلى مستوى في التسلسل الهرمي القشري؛ فهما متخصصان في الاحتفاظ بذكريات الأحداث التي تنتشر وصولًا إلى القمة. وبما أن هذه الأحداث تتناسب مع أنماط يمكن التنبؤ بها، فإنها تصبح قابلة للتذكر في المستويات الأدنى من التسلسل الهرمي. (يُعدّ هذا الانتقال للذكريات إلى أسفل التسلسل الهرمي، بالمناسبة، تنبؤًا عامًا للنظرية). وهكذا، يقوم الحصينان باستمرار بحفظ الأحداث "غير المتوقعة" (أي تلك التي لم يتم التنبؤ بها في المستويات الأدنى). إذا تضررت، فإن عملية الحفظ بأكملها من خلال التسلسل الهرمي ستتأثر سلباً.

في عام 2016، افترض هوكينز أن الأعمدة القشرية لا تلتقط الإحساس فحسب، بل تلتقط أيضًا الموقع النسبي لهذا الإحساس، في ثلاثة أبعاد بدلًا من بعدين ( التقاط الموقع )، بالنسبة لما يحيط به. [ 1 ] "عندما يبني الدماغ نموذجًا للعالم، يكون لكل شيء موقع بالنسبة لكل شيء آخر" [ 1 ] - جيف هوكينز.

تدعم بعض أبحاث علم الأعصاب التي أُجريت على الحيوانات فكرة أن الحصين يدمج المعلومات الجديدة مع الذكريات الموجودة لتكوين نماذج تنبؤية. تُمكّن هذه العملية من حل المشكلات والتكيف مع المهام الجديدة بكفاءة أكبر. [ 2 ] [ 3 ]

النجاحات التفسيرية والتنبؤات

يُفسر إطار الذاكرة والتنبؤ عددًا من الجوانب النفسية البارزة للإدراك. فعلى سبيل المثال، تُعد قدرة الخبراء في أي مجال على تحليل المشكلات المعقدة وتذكرها بسهولة ضمن مجالهم نتيجة طبيعية لتكوينهم تسلسلات هرمية مفاهيمية متطورة باستمرار. كما أن الانتقال من " الإدراك " إلى " الفهم " مفهومٌ بسهولة نتيجةً لتوافق التوقعات من أعلى إلى أسفل ومن أسفل إلى أعلى . في المقابل، يُولّد عدم التوافق القدرة الفائقة للإدراك البيولوجي على رصد الإدراكات والمواقف غير المتوقعة. (وتُعدّ أوجه القصور في هذا الصدد سمةً شائعةً في المناهج الحالية للذكاء الاصطناعي).

إلى جانب هذه التفسيرات المُرضية من الناحية الذاتية، يُقدّم هذا الإطار أيضًا عددًا من التنبؤات القابلة للاختبار . فعلى سبيل المثال، يُشير الدور المهم الذي يلعبه التنبؤ في التسلسلات الهرمية الحسية إلى ضرورة وجود نشاط عصبي استباقي في خلايا مُحددة في القشرة الحسية. علاوة على ذلك، ينبغي أن تظل الخلايا التي تُسمّي مُتغيرات مُعينة نشطة طوال فترة وجود تلك المُتغيرات، حتى لو تغيرت المُدخلات الأساسية. وقد تكون أنماط النشاط المُتوقعة من الأسفل إلى الأعلى ومن الأعلى إلى الأسفل - حيث يكون الأول أكثر تعقيدًا عندما لا تتحقق التوقعات - قابلة للكشف، على سبيل المثال، عن طريق التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ( fMRI ).

على الرغم من أن هذه التوقعات ليست محددة للغاية للنظرية المقترحة، إلا أنها واضحة بما يكفي لتمكين التحقق من مبادئها الأساسية أو رفضها. راجع قسم " حول الذكاء" للاطلاع على تفاصيل التوقعات والنتائج.

المساهمة والقيود

تستند النظرية الحالية، بحكم تصميمها، إلى أعمال العديد من علماء الأحياء العصبية، ويمكن القول إن معظم هذه الأفكار قد طُرحت بالفعل من قبل باحثين مثل غروسبيرغ وماونت كاسل . من جهة أخرى، يُرسي الفصل المبتكر بين الآلية المفاهيمية (أي المعالجة ثنائية الاتجاه والتعرف الثابت) والتفاصيل البيولوجية (أي الطبقات والأعمدة والبنى العصبية) الأساس للتفكير المجرد حول نطاق واسع من العمليات المعرفية.

يُعدّ نقص التفاصيل الحالي أبرز عيوب هذه النظرية . فعلى سبيل المثال، يلعب مفهوم الثبات دورًا محوريًا؛ إذ يفترض هوكينز وجود " خلايا مُسمّاة " لبعض هذه الثوابت على الأقل. (انظر أيضًا: المجموعة العصبية#الترميز للخلايا العصبية الجدّة التي تؤدي هذا النوع من الوظائف، والخلايا العصبية المرآتية من منظور الجهاز الحسي الجسدي ). لكن من غير الواضح كيفية وضع تعريف رياضي دقيق يحمل العبء المفاهيمي المطلوب عبر المجالات التي طرحها هوكينز. وبالمثل، تتطلب النظرية الكاملة تفاصيل موثوقة حول كلٍّ من الديناميكيات قصيرة المدى وعمليات التعلّم التي تُمكّن طبقات القشرة الدماغية من العمل على النحو المُعلن.

تقوم شركة IBM بتطبيق نموذج هوكينز.

نماذج التعلم الآلي

تزعم نظرية التنبؤ بالذاكرة أن جميع مناطق القشرة المخية الحديثة تستخدم خوارزمية مشتركة. وقد أدت هذه النظرية إلى ظهور عدد من نماذج البرمجيات التي تهدف إلى محاكاة هذه الخوارزمية المشتركة باستخدام بنية ذاكرة هرمية. يشير العام المذكور في القائمة أدناه إلى تاريخ آخر تحديث للنموذج.

نماذج قائمة على الشبكات البايزية

تستخدم النماذج التالية نشر المعتقدات أو مراجعة المعتقدات في الشبكات البايزية المتصلة بشكل فردي .

  • الذاكرة الزمنية الهرمية (HTM)، نموذج، ومنصة تطوير ذات صلة، وشفرة مصدرية من شركة Numenta, Inc. (2008).
  • HtmLib ، وهو تطبيق بديل لخوارزميات HTM بواسطة جريج كوتشانياك مع عدد من التعديلات لتحسين دقة وسرعة التعرف (2008).
  • مشروع Neocortex ، وهو مشروع مفتوح المصدر لنمذجة إطار عمل التنبؤ بالذاكرة (2008).
    • صفحة أبحاث ساوليوس غاراليفيسيوس ، والأوراق البحثية والبرامج التي تعرض نتائج تجريبية مع نموذج لإطار عمل التنبؤ بالذاكرة، وهو أساس مشروع القشرة المخية الحديثة (2007).
  • جورج، ديليب (2005). "نموذج بايزي هرمي للتعرف على الأنماط الثابتة في القشرة البصرية" (وثيقة). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 1812-1817 . ورقة بحثية تصف نموذجًا بايزيًا سابقًا لما قبل تقنية إدارة الذاكرة عالية الإنتاجية (HTM)، من إعداد أحد مؤسسي شركة نومينتا. يُعد هذا النموذج أول إطار عمل للتنبؤ بالذاكرة يستخدم الشبكات البايزية، وتستند جميع النماذج المذكورة أعلاه إلى هذه الأفكار الأولية. كان كود المصدر الخاص بهذا النموذج، والمُتاح للتنزيل مجانًا بلغة ماتلاب، متاحًا للتنزيل لعدة سنوات.

نماذج أخرى

  • تطبيق MPF ، وهي ورقة بحثية لـ Saulius Garalevicius تصف طريقة التصنيف والتنبؤ في نموذج يخزن التسلسلات الزمنية ويستخدم التعلم غير الخاضع للإشراف (2005).
  • M5 ، آلة أنماط لنظام التشغيل Palm OS تقوم بتخزين تسلسلات الأنماط واستدعاء الأنماط ذات الصلة ببيئتها الحالية (2007).
  • BrainGame ، فئة تنبؤ مفتوحة المصدر تتعلم الأنماط ويمكن ربطها بمتنبئات أخرى (2005).

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 ميتز، كيد (15 أكتوبر 2018). "نظرة جديدة لكيفية تفكيرنا" . صحيفة نيويورك تايمز . الصفحات B1، B4. انظر: "وضوح على فنجان قهوة"
  2. ↑ ميلر، آدم إم بي؛ جاكوب، أليكس دي؛ رامساران، آدم آي؛ دي سنو، ميتشل إل؛ جوسلين، شينا إيه؛ فرانكلاند، بول دبليو (2023-06-21). "ظهور نموذج تنبؤي في الحصين" . نيرون . 111 (12): 1952-1965.e5. doi : 10.1016 / j.neuron.2023.03.011 . ISSN 0896-6273 . PMC 10293047. PMID 37015224 .   
  3. ↑ تسي، دوروثي؛ لانغستون، روزاموند ف.؛ كاكياما، ماساكي؛ بيثوس، إنغريد؛ سبونر، باتريك أ.؛ وود، إيما ر.؛ ويتر، مينو ب.؛ موريس، ريتشارد جي إم (2007-04-06). "المخططات وتوطيد الذاكرة". مجلة ساينس . 316 (5821): 76-82 . doi : 10.1126/science.1135935 . ISSN 1095-9203 . PMID 17412951 .  

للمزيد من القراءة

  • جيف هوكينز (2004)، حول الذكاء ، نيويورك: هنري هولت. قائمة المراجع، الفهرس، 251 صفحة. رقم ISBN 0-8050-7456-2