自由エネルギーと脳

【 自由エネルギーと脳 】

今回のセッションでは、現在、脳研究の新しいフレームとして注目を集めているFristonらの研究の概要を紹介します。基本的には、論文の引用です。

依拠したのは、彼らの初期の論文 “Free-Energy and the Brain” (2007年) です。 https://link.springer.com/article/10.1007/s11229-007-9237-y　

【　Helmholtzの知覚論 -- 「無意識的推論」 】

「ヘルムホルツは、視覚的印象の形成は主に無意識の判断によって達成され、その判断結果は「一度も意識的判断の平面に昇格することができない」ため、「意識的思考の浄化と精査の作業を欠いている」。にもかかわらず、無意識の判断結果は意識的な制御を受けにくく、矛盾に強いため、「取り除くことは不可能」であり、「その影響を克服することはできない」　とした。 

その理由は、視覚的な感覚的印象が神経学的に処理される方法にある、とヘルムホルツは示唆した。意識的な熟考を担う高次皮質中枢は、視覚的印象の形成には関与していない。

しかし、このプロセスは自発的かつ自動的であるため、私たちはどのようにして判断に至ったかを説明することができない。なぜなら、無意識的な結論の結果は、「あたかも外部の力がわれわれを拘束するかのように、いわばわれわれの意識に促されて、われわれの意志ではどうすることもできない」解釈だからである。」

【　Helmholtzの知覚論 の影響 】

細胞や脳のような自己組織化する生物学的システムは、変分自由エネルギーを最小化するものとして理解できるという考え方は、無意識の推論に関するヘルムホルツの観察と、それに続く心理学や機械学習における研究に基づいている。

「ヘルムホルツに倣い、我々は人間の知覚システムを、感覚入力の原因を推論する統計的推論エンジンとみなす。この種の装置は、教師が各感覚入力ベクトルにその根本的な原因をラベル付けしなくても、これらの推論を実行する方法を学習できることを示す。」

Dayan, P., Hinton, G. E., & Neal, R. (1995). The Helmholtz machine. Neural Computation , 7, 889–904.
https://en.wikipedia.org/wiki/Unconscious_inference


【　Fristonの「自由エネルギーと脳 」】

「知覚に関するヘルムホルツのアイデアを現代の理論で定式化すると、知覚の推論のモデルと学習のモデルに到達する。注目すべきことは、そのモデルが、非常に広い範囲の神経生物学的事実を説明することができるということである。

統計物理学で構成された概念を用いることで、感覚入力の原因を推論する問題と、感覚器における因果的規則性を学習する問題が、まったく同じ原理を用いて解決できることが示すことができる。さらに、この推論と学習を生物学的に妥当な方法で進めることができる。」

「我々の理論の次のスキームは、経験的ベイズ理論と、感覚情報がどのように生成されるかについての階層的モデルに基づいている。

階層的モデルを用いることで、脳は動的かつ状況に応じて事前予想を構築することができる。このスキームは、脳の組織と反応の多くの側面を理解するための原理的な方法を提供する。」

【 知覚プロセスの「創発性」 】

「この論文では、このような知覚プロセスは、自由エネルギー原理に適合するシステムの創発的特性のひとつに過ぎないことを示唆する。

ここでいう自由エネルギーとは、その状態や構成によってコード化された期待のもとで、環境とのやりとりすべてに内在する「驚き」を制限するものである。」

【 脳と行動と知覚の変化 】

「システムは、その構成を変更することで自由エネルギーを最小化することができる。それらは、環境をサンプリングする方法を変更するために、あるいは、その期待を変更するために行われる。これらの変化はそれぞれ行動と知覚に対応し、生物システムに特徴的な、環境との適応的交換を可能にする。

こうした問題の扱い方は、システムの状態と構造が、環境に関する暗黙的で確率的なモデルをエンコードしていることを意味する。

この論文では、脳が必要とするモデルに注目し、自由エネルギーの最小化が脳のダイナミクスと構造をどのように説明できるかを考察する。」

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ショートムービー「 自由エネルギーと脳 」を公開しました。

https://youtu.be/DS9CXwFvfVc?list=PLQIrJ0f9gMcM1CSCpFfUuf25kD7b1JMM2

資料 pdf「 自由エネルギーと脳 」

https://drive.google.com/file/d/1-sStpkppk6KXPcsfTzE_VQlRwQ6daHBW/view?usp=sharing

blog：「 自由エネルギーと脳 」　
https://maruyama097.blogspot.com/2023/07/blog-post_19.html

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