ه‍.ش. ۱۳۹۴ بهمن ۲۴, شنبه

مروری بر روش‌های مطالعه شناخت

از: دکتر محمدرضا ابوالقاسمی دهاقانی)

از عصب تا ذهن

مروری بر روش‌های مطالعه شناخت


فهرست مندرجات

.



مروری بر روش‌های مطالعه شناخت

قسمت اول

 

دانش ، دانش مطالعه‌ی ذهن، رفتار و مغز است. در سال‌های اخیر روش‌های بسیار زیادی جهت مطالعه علمی دانش شناخت ارائه شده است. در این مقاله، محمدرضا ابوالقاسمی دهاقانی، دارنده‌ی دکترای علوم اعصاب شناختی و محقق پژوهشگاه دانش‌های بنيادی، در دو قسمت که در شماره‌های پیاپی ٦٠٢ و ٦٠٣ به نشر رسیده است، به معرفی اجمالی این روش‌ها می‌پردازد.

روش‌های مطالعه یک دانش، نقش بسیار مهمی را در پیشرفت علوم بازی می‌کنند. در بسیاری از مواقع کشف یک روش جدید دریچه‌ی جدیدی برای توسعه‌ی آن علم باز می‌کند. برای نمونه کشف تلسکوپ را برای علم نجوم در نظر بگیرید. بسیاری از ایده‌ها و نوآوری‌های علم نجوم به‌وسیله تلسکوپ معنا پیدا می‌کند. به همین ترتیب، روش‌های تکثیر و خالص‌سازی ژن‌ها در علم ژنتیک، نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کنند. توجه به این نکته ضروری است که حتی قوی‌ترین روش‌ها به تنهایی نمی‌تواند توسعه‌ای در علم انجام دهند. وجود سئوال مشخص و دقیق در کنار علم است که می‌تواند برای پیشبرد علوم راهگشا باشد.

به دلیل ماهیت بین رشته‌ای علوم شناختی، روش‌های آن نیز معمولاً از ترکیب و ایجاد رابطه بین روش‌های علوم تشکیل‌دهنده دانش شناخت به‌وجود می‌آید. برای نمونه روش‌های تصویربرداری کابردی از مغز با روش‌های روان‌شناسانه ترکیب شده و روشی جدید برای مطالعه رابطه بین مغز و رفتار به‌وجود آورده است. با این مقدمه به سراغ روش‌های مطالعه دانش شناخت می‌رویم.

۱سایکوفیزیک

سایکوفیزیک (Psychophysics) از دو قسمت سایکو (روان) و فیزیک تشکیل شده است. مبدعان این روش سعی کردند تا به کمک روش‌های فیزیکی، حالات روانی انسان‌ها را اندازه‌گیری کنند. همان‌طور که قبلا هم اشاره شد، تا اواسط قرن ۱۹ کار علمی‌ در رابطه با مسایل ذهنی و روانی انجام نمی‌شد. مشکل اصلی، اندازه‌پذیر نبودن فعالیت‌ها‌ی روانی بود. بدون اندازه، علم ممکن نیست. در نیمه دوم قرن ۱۹ روان‌شناسان روش‌های علمی را برای جمع‌آوری مشاهدات و توصیف تئوری‌های روانشناسانه به کار ‌گرفتند. ارنست هاینریش وبر (Ernst Heinrich Weber) (آناتومیست) و گوستاو فخنر (Gustav Fechner‌) (فیزیکدان و فیلسوف)، رابطه بین تغییرات فیزیکی محرک (برای مثال، تغییر در وزن یا شدت نور) و ادراک شخصی را اندازه گرفتند. باور اساسی وبر و فخنر این بود که تغییرات فیزیکی به سادگی معادل تغییرات ادراک افراد نیست و رابطه آن‌ها، یک رابطه لگاریتمی است. فخنر این شاخه جدید از اندازه‌گیری فیزیولوژیک را سایکوفیزیک نام نهاد. به این ترتیب سایکوفیزیک به روش‌هایی گفته می‌شود که در صدد برقراری رابطه بین ادراک از منظر روانشناسانه و یک محرک خارجی از منظر فیزیکی است.

یکی از مشکلات تعریف فوق مواجه شدن با مسئله ادراک است. هدف فرآیند ادراک جمع‌آوری اطلاعات دقیق و قابل اعتماد از محیط بیرون است و از آن‌جا که معمولاً به‌صورت ذاتی در همه انسان‌ها مشترک است؛ نتیجه‌ی فرآیند ادراک در ازای محرک یکسان، کم و بیش در میان انسان‌های مختلف مشابه است. از این‌رو، ادراک می‌تواند موضوع آزمایش‌های علمی سایکوفیزیکی قرار گیرد.

در روان‌شناسی شناختی، امور ذهنی به منزله یک مسئله پردازش اطلاعات مطالعه می‌شوند. پردازش اطلاعات به بازنمایی داخلی اطلاعات و هم‌چنین اعمالی که بر روی آن‌ها صورت می‌پذیرد وابسته است. فرآیند پردازش اطلاعات با بازنمایی ابتدایی محرک خارجی آغاز می‌شود و در مراحل مختلف به کمک عملگرهایی ذهنی که روی آن‌ها اعمال می‌شود تغییر پیدا کرده و صورت جدیدی از بازنمایی را به‌خود می‌گیرد. به این ترتیب پردازش یک مسئله ذهنی، کامل می‌شود. برای مثال در عمل شناختی مقایسه دو کلمه و یافتن حروف مشترک، چند عملگر ذهنی مختلف به‌کار گرفته می‌شود. در اولین مرحله کلمه‌ها به‌نحوی در مغز ما بازنمایی می‌شود. در گام بعد به کمک عملگری اطلاعات بازنمایی شده مقایسه می‌شوند و به بازنمایی جدیدی تبدیل می‌شوند. همین روند ادامه پیدا می‌کند تا در پایان تصمیمی در مورد حروف مشترک گرفته شود. در روان‌شناسی شناختی فرضیه‌هایی برای آزمون کردن عملگرهای ذهنی مختلف طراحی می‌شود و به کمک روش‌های سایکوفیزیک مورد آزمون قرار می‌گیرد.

هنگام طراحی یک آزمایش سایکو فیزیک، در اولین گام محرک‌های قابل اندازه‌گیری طراحی می‌شوند (مثلاً نقاط نورانی با شدت نور مختلف. در این‌جا شدت نور قابل اندازه‌گیری است). به ازای محرک‌های کم شدت ادارک صورت نمی‌گیرد. اولین محرکی که در بیشتر مواقع ادراک را ایجاد می‌کند به‌عنوان حد آستانه ادراک شناخته می‌شود (در مثال قبل، نقطه نورانی که در بیشتر مواقع توسط فرد آزمایش‌دهنده دیده می‌شود، آستانه ادراک مشاهده نقطه نورانی است). یافتن حد آستانه یکی از مهم‌ترین روش‌ها برای مقایسه ادراک در حالت‌های مختلف است. پس از آن‌که احتمال ادراک تمامی محرک‌ها به‌دست آمدند؛ تابعی از محرک (یا شدت محرک) به احتمال ادراک آن می‌یابیم. این تابع با نام تابع سایکومتریک شناخته می‌شود. این تابع به نوعی توصیف‌کننده ادراک است (شکل ۱). تابعی که از فضای اندازه‌پذیر فیزیکی ما را به دنیای ادراک می‌برد. ویژگی‌های ریاضی این تابع معرف بعضی از مفاهیم روان‌شناسانه است. برای مثال شیب این تابع می‌تواند معرف میزان حساسیت به محرک را معرفی کند. حد آستانه نیز از این نمودار قابل استخراج است. حد آستانه، شدت محرکی است که به ازای آن احتمال ادراک پنجاه درصد باشد. به این ترتیب پس از یافتن تابع سایکومتریک ما به شاخص‌های اندازه‌پذیر از ادراک و رفتار دست یافته‌ایم که امکان آزمودن نظریه‌های علمی را در فضای کاملاً اندازه‌پذیر ممکن می‌کند.

شکل ۱ - نمونـه‌ای از تابـع ســایکومتریک که میزان شــدت نور را به احتـمال ادراک آن مرتبـط می‌کند

توسعه روزافزون صنعت دیجیتال و تجهیزات صوتی و تصویری، امکان تولید محرک‌های بینایی و شنوایی پردقت را فراهم کرده است. بنابراین به کمک رایانه‌های معمولی امروزی ما ‌می‌توانیم یک آزمایشگاه کامل برای آزمون‌های سایکوفیزیک به‌ویژه در حوزه بینایی داشته باشیم. ما می‌توانیم به‌دقت خوبی محرک‌های صورت انسان را به‌گونه‌‌ای تولید کنیم که در آن شدت زن یا مرد بودن را در چند سطح مختلف مشخص باشد (شکل ٢) و بعد از آن‌که به اندازه‌ی کافی تصاویر را در شرایط کنترل‌شده نمایش دادیم، احتمال پاسخ زن یا مرد به ازای تصاویر مختلف در تکرارهای زیاد را به‌دست آوریم. به این ترتیب به یک سایکو متریک دست پیدا کرده‌ایم که فضای قابل اندازه‌گیری میزان جنسیت تصاویر صورت انسان را به احتمال ادراک نگاشت می‌کند.

شکل ٢ - نمونه‌ای از محرک‌های صورت انسان که شدت زن یا مرد بودن آن به‌تدریج تغییر می‌کند.

بخش وسیعی از دانش ما در حوزه‌ی علوم اعصاب شناختی به کمک آزمایش‌های سایکوفیزیک به‌دست می‌آیند. سایکوفیزیک در ترکیب با سایر روش‌های تصویربرداری و ثبت فعالیت‌های عصبی نیر می‌تواند به‌کار گرفته شود. برای نمونه فردی را تصور کنید که در حال انجام یک آزمایش سایکوفیزیک، از او ثبت نوار مغزی (EEG) گرفته می‌شود. (در قسمت‌های بعدی بیشتر توضیح داده خواهد شد). به این ترتیب سایکوفیزیک از زمان‌های گذشته تا کنون، به‌عنوان یکی از پایه‌ای‌ترین روش‌های مطالعه شناخت، به تنهایی و در ترکیب با سایر روش‌ها، به دانشمندان این حوزه کمک کرده است.

همان‌گونه که قبلاً هم بیان شد، سایکوفیزیک روش بسیار ارزان قیمتی است و به کمک آن می‌توان به بخش زیادی از سئوال‌های حوزه شناخت نزدیک شد. مخاطبان آزمایش‌های سایکوفیزیک معمولاً انسان‌ها هستند (شکل شماره ٣) و از این رو بسیار در دسترس‌اند. سایکوفیزیک روشی غیر تهاجمی است و بدون هیچ آسیبی می‌تواند انجام شود. این ویژگی‌ها امکان تکرار آزمایش‌های سایکوفیزیک را میسر می‌کند. از این رو نتایج به‌دست آمده می‌توانند با دقت آماری مناسبی ارائه شوند.

شکل ٣ - فردی در حال انجام آزمون سایکوفیزیک.

علاوه بر مطالعه ادارک در حالت آگاهانه، سایکوفیزیک امکان بررسی ادراک در شرایط ناآگاهانه را نیز دارد. برای مثال در سایکوفیزیک بینایی اگر در یک چشم محرک الف و در چشم دیگر محرک ب را قرار دهیم با وجود ورود هر دو محرک به مغز، در هر لحظه فقط یکی از محرک‌ها به‌صورت آگاهانه ادراک می‌شود. اگر یکی از محرک‌ها الگوی نویزی باشد که به‌صورت متناوب با بسامد مشخصی ظاهر و پنهان شود در رقابت بین دو محرک همیشه الگوی نویز پیروز شده و ما هیچ‌گاه ادارک آگاهانه‌ای از محرک دیگر (محرک چشم مقابل) نداریم (شکل ۴ الف). به این ترتیب ما می‌توانیم اثر محرک‌هایی که به مرحله ادراک آگاهانه نمی‌رسند را نیز بررسی کنیم. برای مثال اگر ما در چشم مقلوب (چشمی که محرک آن آگاهانه ادارک نمی‌شود) وسایل مربوط به یک جنس خاص را نمایش دهیم (برای مثلاً کیف و یا کفش زنانه، لباس زنانه و ...) بافت ذهنی فرد آزمایش دهنده را به‌صورت ناآگاهانه به‌سمت موضوعی خاص برده‌ایم. حال می‌توان ادارک آگاهانه شخص در موضوع خاصی (مثلاً تشخیص چهره زن یا مرد) را بررسی کنیم و این حالت را با زمانی که محرک‌های ‌ناآگاهانه را نداشته‌ایم مقایسه کنیم. برای پخش محرک در دو چشم متفاوت می‌توانیم از یک عینک ساده و یا از یک جدا کننده و چند آیینه استفاده کنیم (شکل ۴ ب). به این ترتیب دامنه موضوعات مورد بررسی سایکوفیزیک حتی در مقوله امور ناآگاهانه نیز امتداد پیدا می‌کند.

شکل ۴ - الف: دستگاهی برای نمایش دو تصویر مختلف در دو چشم. ب: محرک‌های نمایش داده شده در چشم راست هرگز به صورت آگاهانه ادراک نمی‌شوند.


٢مدل‌های رایانه‌ای

اختراع رایانه و توسعه دانش محاسبات، مسئله شناخت را نیز تحت تاثیر قرارد داد. رایانه‌ها به‌عنوان استعاره‌های بسیار قدرتمند از فرآیند‌های شناختی در نظر گرفته می‌شوند. یک سامانه‌ی رایانه‌ای با بازنمایی دیجیتال ورودی‌های آن‌ها در مراحل مختلف پردازش می‌کند و نهایتاً خروجی محاسبه شده را تحویل می‌دهد. با چنین نگاهی محاسبات رایانه‌ها چیزی شبیه فرآیند‌هایی است که در روان‌شناسی شناختی مورد بررسی قرار می‌گیرند. علاوه بر این منطق یکسان محاسبات رایانه و محاسبات انسانی از منظر روان‌شناسی شناختی، رایانه‌ها ابزارهای بسیار قدرتمند برای شبیه‌سازی فرآیندهای مختلف ازجمله فرآیندهای شناختی هستند. به کمک این شبیه‌سازی‌ها می‌توان رفتار هوشمندانه‌ی انسان و یا موجودات دیگر را شبیه‌سازی کرد. دانش هوش‌مصنوعی در نتیجه همین تلاش‌ها توسعه پیدا کرده است. مدل‌های رایانه‌ای معمولاً بسیار صریح و با جزییات فراوان در سطوح مختلف هستند. برای مثال شبکه‌های عصبی مصنوعی با مدل کردن یک نرون به‌صورت مشخص با ورودی و خروجی و پردازش ویژه‌اش آغاز می‌شود (شکل ۵). در مرحله‌ی بعد با تعریف رابطه‌های اتصال نرون‌های مصنوعی به یک‌دیگر یک شبکه عصبی بزرگ ساخته می‌شود. در تمام این مراحل سعی مدل‌ساز آن است که تا حد امکان از مدل‌های طبیعی و نحوه فعالیت سلول‌های عصبی الهام بگیرد. مثلا با الهام از طبیعت برای نرون‌های شبیه‌سازی شده حد آستانه در نظر می‌گیرند تا خروجی آن‌ها به‌صورت وجود داشتن یا نداشتن باشد. و یا نُرون‌هایی که با هم فعال می‌شوند را به یکدیگر با قدرت بیشتری وصل می‌کنند. در نهایت شبکه عصبی تولید شده می‌تواند یک فرآیند شناختی با ورودی و خروجی مشخص را مدل کند.

شکل ۵ - نمایی از شبکه‌ عصبی مصنوعی، هر دایره معادل یک نرون شبیه‌سازی شده است. پیکان‌های بین نرون‌ها رابطه دو سلول را نشان می‌دهد. ضخامت پیکان نشان‌دهنده قوت ارتباط است.

هرچند جزییات قسمت‌های مختلف مدل‌های رایانه‌ای برای مدل‌ساز کاملاً مشخص است اما در پایان خروجی مدل طراحی‌شده می‌تواند یک پدیده جدید و رمزنشده باشد. این موضوع یکی از جذابیت‌های مدل‌سازی است و با عنوان مسئله بروز (emergence) شناخته می‌شود.

مدل‌های رایانه‌ای به ما کمک می‌کنند تا بتوانیم فرآیندهای شناختی را بهتر توصیف کنیم و امکان آزمون فرضیه‌های مختلف شناختی را فراهم می‌آورد. حتی در مورادی به کمک مدل‌های تهیه شده می‌توانیم فرضیه‌ای را برای آزمون در دنیای واقعی به‌دست آوریم.

معمولا مدل‌سازی‌ها در نتیجه ساده‌سازی بیش از اندازه از مدل واقعی است که این خود بخش زیادی از اطلاعات مربوط به مدل شناختی واقعی را کم می‌کند. با پیشرفت علم و طراحی سخت‌افزارهای مناسب، به مرور این مشکل کمتر می‌شود.

گاهی مدل‌سازی رایانه‌ای با الهام از فرآیندهای شناختی فقط در صدد تولید الگوریتم و روش‌های جدید برای بهبود بازدهی الگوریتم‌هاست. در این‌گونه موارد هدف توصیف یک سازوکار شناختی نیست بلکه هدف اصلی بهبود بازدهی الگوریتم است. ایده‌‌آل نهایی مدل‌سازان این حوزه تولید رایانه‌ای است که همه فواید فرآیندهای شناختی را داشته باشد.

تاکنون دو مورد از روش‌های مطالعه علوم شناختی را مورد بررسی قرار داده‌ایم در شماره‌های بعد به سایر روش‌های آن می‌پردازیم.


[] يادداشت‌ها




[] پی‌نوشت‌ها

ابوالقاسمی دهاقانی، محمدرضا، مروری بر روش‌های مطالعه شناخت (قسمت اول)، ماهنامۀ دانشمند، سال پنجاه‌ويكم، شماره ۹ (پياپی ٦٠٢)، آذر ۱۳۹٢، صص ٨٦-٨٨.


[] جُستارهای وابسته




[] سرچشمه‌ها

ماهنامۀ دانشمند، سال پنجاه‌ويكم، شماره ۹ (پياپی ٦٠٢)، آذر ۱۳۹٢؛ و نیز رجوع شود به از عصب تا ذهن، وبلاگ محمدرضا ابوالقاسمی دهاقانی؛ برگرفته از منابع زیر:

□ Gazzaniga, Michael S., et al. “Cognitive neuroscience: The biology of the mind”. New York: WW Norton, 1998.
Geschichte der Psychologie an der Universität Leipzig, Institut für Psychologie, Universität Leipzig.
How to Create and Use Binocular Rivalry, Department of Psychology, New York University.
□ شکل ۱ و ۵ از جستجوی گوگل آمده (با کمی تغییر)، شکل ٣ از منبع شماره ۱، شکل ۴ منبع شماره ٣، شکل ٢ نیز توسط نرم‌افزار Facegen تولید شده است.