KUI440: Výpočtová a kognitívna neuroveda

Katedra kybernetiky a umelej inteligencie

Technická univerzita Košice

Letný semester 2008

 

Vyučujúci:       Norbert Kopčo, kopco@tuke.sk, Vysokoškolská 4, č. dv. 151, tel. 602 4213

                        (spoluvyučujúca na cvičeniach: Beáta Tomoriová, beata.tomoriova@tuke.sk, Vysokoškolská 4, č. dv. 31, tel. 602 4390)

 

Prednášky:     pondelok 15:10-16:40 v učebni V-144  (Vysokoškolská 4)

Cvičenia:        pondelok 16:50-18:20 v učebni V-144  (Vysokoškolská 4)

 

Diskusná skupina: https://hypernews.tuke.sk/HyperNews/get/FEI/kognitsyst.html

 

 

Obsah predmetu, Potrebné znalosti, Fungovanie predmetu, Hodnotenie, Literatúra, Projekt, Prednášky, Zadania, Užitočné linky

Obsah predmetu

Popis centrálnej nervovej sústavy a kognitívnych procesov človeka, s dôrazom na výpočtové aspekty štúdia v kognitívnychneurálnych vedách. Vybrané témy z kognitívnych vied (v nadväznosti na Úvod do neurovied). Prehľad o metódach teoretického štúdia v kognitívnych a neurálnych vedách zahrňujúci konekcionistické, štatistické a systémovoteoretické prístupy k modelovaniu kognitívnych procesov a neurálnych štruktúr. Prehľad vybraných modelov ľudského vizuálneho a sluchového systému, učenia, myslenia, riešenia problémov, rozhodovania sa a vývoja mozgových štruktúr.

Prerekvizity

- KUI342 Úvod do neurovied

- základy biológie, chémie, fyziky, psychológie

- lineárna algebra a diferenciálne rovnice

- znalosť MATLABu resp. ochota naučiť sa

Fungovanie predmetu a práca študenta

Dôraz pri výuke bude kladený na individuálnu prácu počas semestra. Účasť na prednáškach je veľmi dôležitá (v podstate povinná – na prednáškach bude prezenčka a aktivita na prednáškach bude súčasťou vášho hodnotenia). Práca na cvičeniach bude pozostávať z niekoľkých zadaní, ktoré študenti vypracujú samostatne alebo v malých skupinách. Odovzdané zadania budú vyhodnotené a budú tvoriť súčasť záverečnej známky. Počas semestra budú dve povinné písomky, jedna v strede a jedna na konci semestra. Taktiež bude vašou úlohou počas semestra vypracovať jednu esej. Na základe bodov zo zadaní a písomiek bude v zápočtovom týždni navrhnuté celkové hodnotenie. Ti, ktorí si ho budú chcieť vylepšiť, môžu prísť na skúšku.

Dôležité: Vaša práca počas semestra bude sledovať špecifikovaný časový plán. Za nedodržanie tohto plánu (neskoré odovzdanie zadaní, neúčasť na písomke atď.) sú definované postihy. Ak sa im chcete vyhnúť a z objektívnych príčin nemôžete nejaký termín dodržať, informujte ma o tom vždy predom (napr. ak mi oznámite pred písomkou, že na nej nemôžete byť, môžeme sa dohodnúť na náhradnej).

Hodnotenie

Podiel jednotlivých úloh na výslednej známke:

- aktívna účasť na prednáškach 6%

- zadania 12% (4 zadania po 3%) – za plagiátorstvo postih až 20% celkovej známky – viď nižšie.

- esej 12%

- semestrálna písomka 35%

- zápočtová písomka 35%

- prémia: 5 až 10% známky bude možné získať aj za participáciu na experimentoch v Laboratóriu vnímania a kognície. O možnostiach vás budem podľa potreby priebežne informovať.

Penalizácia pri hodnotení a etika práce

Počet bodov získaný za zadania a projekty sa znižuje o 20% z maximálnej hodnoty zadania s každým načatým týždňom omeškania.

Každé zadanie, esej a písomka má odrážať prácu a znalosti toho, kto je na ňom/nej uvedený ako autor. Pri zadaniach môžete pracovať v skupinách (do 4 ľudí), očakávam ale, že všetci, ktorí sú na zadaní uvedení ako autori, na ňom aj robili. Namátkovo to budem vypracovanie zadania kontrolovať u všetkých, ktorí sú uvedení ako autori. A ak zistím, že niektorý autor netuší, ako bolo niečo v zadaní urobené, môže to znamenať stratu až 20% celkovej známky pre celú skupinu (t.j., aj pre tých, ktorí zadanie urobili a vedia vysvetliť, ako bolo spravené). Cieľ je jednoduchý: chcem, aby ste na zadaniach robili všetci, nie iba jeden človek za skupinu.

Literatúra  (Elektronické knihy sú dostupné len z domény TU tuke.sk):

Hlavnou študijnou literatúrou sú PDF súbory prednášok, ktoré budú zverejnené vždy pred prednáškou v časti Prednášky na tejto webstránke.

Ďalšie zdroje:

Stillings et al.: Cognitive Science: An Introduction, 2nd ed., MIT Press, 1995 (označovaná CSAI, dostupná elektronicky po konzultácii so mnou)

Posner, M: Foundations of Cognitive Science. MIT Press, 1989 (kópia u mňa)

Gazzaniga M. (ed.): The New Cognitive Neurosciences. 2nd ed. MIT Press. 1999 (dostupná elektronický tu - na požiadanie sprístupním. Resp. za $15 môžete získať prístup na 5 dní a stiahnuť si ktorúkoľvek z vyše 400 kníh dostupných na CogNete. Výtlačok knihy je aj u mňa.)
Hertz J, Krogh A and Palmer RG: Introduction to the theory of neural computation. Addison-Wesley 1991 (HKP, kópia u mňa)

Levine DS: Introduction to neural and cognitive modeling. Lawrence Erlbaum 1991 (kópia u mňa)

Dayan P and LF Abbott: Theoretical Neuroscience - Computational and Mathematical Modeling of Neural Systems. MIT Press, 2001 (v prednáškach označovaná skratkou TN, dostupná elektronicky)

Novák M, Faber J a O Kufudaki: Neuronové sítě a informační systémy živých organismů. Grada, 1993 (označovaná NS, dostupná elektronicky)

Kandel ER, Schwartz JH a TM Jessell: Principles of Neural Science. McGraw-Hill, 2000 (kópia u mňa)

Wilson RA a FC Keil: The MIT Encyclopedia of the Cognitive Sciences. MIT Press, 1999 (MITECS dostupná elektronicky)

Rybár J, Beňušková Ľ a Kvasnička V: Kognitívne vedy. Kalligram, 2002 (označovaná RKV, kópia u mňa)

Marek Dobeš: Neuropsychológia.(dostupná elektronicky)
Purves et al.: Neuroscience. 2nd ed., Sinauer Associates, 1991 (dostupná vo fulltexte elektronicky. V knihe sa nedá orientovať cez obsah, je ale možné obsah si pozrieť a potom hľadať názov kapitoly.)
Novák M, Faber J a O Kufudaki: Neuronové sítě a informační systémy živých organismů. Grada, 1993 (označovaná NS, dostupná elektronicky)
Hertz J, Krogh A and Palmer RG: Introduction to the theory of neural computation. Addison-Wesley 1991 (HKP, kópia u mňa)

Esej

Podrobnosti k eseji nájdete na tejto linke.

Termín odovzdania eseje je 28.4. (tj, v 11. týždni).

Plán prednášok

 

Týždeň 1:         18.2.    Úvod (prednáška v PDF)

Literatúra: CSAI kapitola 1 (prípadne aj 2 a 3), Predslov ku RKV, kapitola M. DobešaKognitvínej psychológii

 

Téma 1: Vybrané témy v kognitívnychneurálnych vedách

Týždeň 2:         25.2.    Zrak 1: Neurálna báza videnia. (prednáška v PDF)

Literatúra: TN kapitoly 2.3-2.8, NS kapitola 4.3.4., CSAI kapitoly 12.1, 12.3, 12.5
    Andoga R., Dobeš M. (2003) Objektovo orientovaná pozornosť a jej modelovanie s využitím neurónových sietí. Tretí slovensko-český seminár: Kognícia, umelý život a počítačová inteligencia.
    Schmolensky (2000) The Primary Visual Cortex

Zhrnutie z min. roku (očakávam, že si ho pozriete – na písomke z neho môžu byť otázky): Vnímanie jasu, obrysov, farby. Model BCS/FCS. Vnímanie veľkosti a vzdialenosti. Minuloročná prednáška je k dispozícii tu.

 

Týždeň 3:         3.3.      Zrak 2: Rozpoznávanie objektov. Analýza vizuálnej scény. (prednáška v PDF)
Literatúra: TN kapitoly 2.3-2.8, NS kapitola 4.3.4., CSAI kapitola 12
                Selfridge O. G. (1959) Pandemonium: A Paradigm for Learning. In D. V. Blake & A. M. Uttley (Eds.) Proceedings of the Symposium on Mechanization of Thought Processes, 511-529.
                 Riesenhuber, M., and Poggio, T. Models of Object Recognition. Nature Neuroscience 3 supp., 1199-1204 (2000)
                 Biederman, I. (1987) Recognition-by-components: A theory of human image understanding. Psychological Review. 1987 Apr Vol 94(2) 115-117
Web: Daniel Simons Visual cognition demos, Serendip: Tricks of the eye, wisdom of the brain

 

Týždeň 4:         10.3.    (dvojprednáška – pokrývajúca týždne 2 a 3) Sluchová kognícia: Ako potláčame echá. Analýza sluchovej scény (aj počítačová). (prednáška v PDF)

Zhrnutie z min. roku (očakávam, že si ho pozriete – na písomke z neho môžu byť otázky): Čo je zvuk a sluch. Prehľad tém sluchového štúdia. Frekvenčná selektivita. Binaurálny a priestorový sluch. Minuloročná prednáška je k dispozícii tu. Taktiež prednáška 6 z minulého roku obsahuje informácie o plasticite priestorového sluchového systému, na ktoré sa tiež môžem pýtať.
Literatúra:         Demonštrácie sluchových efektov a ilúzií (Deutsch, Precedence, Clifton, Fransen, Gestalt princípy, zoznam demonštrácií na CD)
Darwin, C. J. and R. P. Carlyon (1995). Auditory grouping. Hearing. B. C. J. Moore. San Diego, CA, Academic Press: 387-424
Metóda Independent Component Analysis používaná na počítačovú analýzu sluchovej scény (demo Cocktail Party efektu).
Bregman, A. S. (1990). Auditory Scene Analysis: The Perceptual Organization of Sound. Cambridge, MA: MIT Press.

 

Týždeň 5:         17.3.    (dvojprednáška – pokrývajúca týždne 4 a 5) Kortikálne spracovanie zvuku. (prednáška v PDF)

Literatúra:         Rauschecker, JP and Tian B (2002) Mechanisms and streams for processing ofwhat“ and „where“ in auditory cortex. PNAS 97:11800-11806
Guenther FH, et al. (2002) 'Holes' in the Brain Help Us Sort Out Sounds. 143 meeting of the Acoustical Society of America.

 

Týždeň 6:         24.3.    voľno – Veľká noc Krosmodálne interakcie (sluch, zrak, hmat). Ostatné témy štúdia mozgu a mysle (vedomie, emócie, motivácia, rozhodovanie a myslenie). (prednáška v PDF)

Literatúra: Heslo Emotions z Purves et al.: Neuroscience.

PICARD, R. W. (1997) Affective Computing. The MIT Press.

Kapitola M. DobešaKognitvínej psychológii

Web Seeing through Sound.

 

Téma 2: Modelovanie v kognitívnychneurálnych vedách

Týždeň 7:         31.3.    (dvojprednáška – pokrývajúca týždne 6 a 7) Úvod do kognitívnehoneurálneho modelovania, historický prehľad. (prednáška v PDF)

Literatúra:
HKP: Introduction
MITECS kapitoly Connectionismus, Cognitive Modeling
Doplnková literatúra:
Elman: Rethinking Innatenes. Kapitola 1

 

Týždeň 8:         7.4.      Písomka v čase prvej prednášky. Potom

Konekcionistické modelovanie 1 – Interakcie medzi STM a LTM v jednoduchom neurálnom modeli klasického podmieňovania. (prednáška v PDF)
Literatúra:

Carpenter, G.A. (1989). Neural network models for pattern recognition and associative memory. Neural Networks, 2, 243-257

 

Týždeň 9:         14.4.    Konekcionistické modelovanie 2 – Additive and shunting neural networks. (prednáška v PDF)
Literatúra:

Grossberg, S. (1982). Why do cells compete? UMAP Unit 484, The UMAP Journal, Vol. III, No. 1.
Grossberg, S. (1980). How does a brain build a cognitive code? Psychological Review, 87, 1-51. – hlavne prečítať Appendix C.

 

Týždeň 10:       21.4.    pokryjeme dve prednášky Konekcionistické modelovanie 3 – Učiace pravidlo Outstar. (prednáška v PDF)

Grossberg, S. (1980). How does a brain build a cognitive code? Psychological Review, 87, 1-51. – hlavne prečítať Appendix B.
Doplnková literatúra:
Levy, W.B. and Desmond, N.L. (1985). The rules of elemental synaptic plasticity. In W.B. Levy, J.A. Anderson, and S. Lehmkuhle (Eds.), Synaptic modification, neuron selectivity, and nervous system organization. Hillsdale, NJ: Erlbaum.
Grossberg, S. (1974) Classical and instrumental learning by neural networks. Progress in Theoretical Biology, 3, pp. 51-141.
Guenther, F.H. (1995). Speech sound acquisition, coarticulation, and rate effects in a neural network model of speech production. Psychological Review, 102, pp. 594-621.

 

Konekcionistické modelovanie 4 – Recurrent competitive fields. (prednáška v PDF)

Grossberg, S. (1976). Adaptive pattern classification and universal recoding, I: Parallel development and coding of neural feature detectors. Biological Cybernetics, 23, 121-134.
von der Malsburg, C. (1973). Self-organization of orientation sensitive cells in the striate cortex. Kybernetik, 14, pp. 85-100. [NFR Chapter 17.]
Appendix A of Grossberg, S. (1980). How does the brain build a cognitive code? Psychological Review, 87, pp. 1-51.

 

Týždeň 11:       28.4.    pokryjeme dve prednášky (prednáška v PDF)

                                    Konekcionistické modelovanie 5 Adaptive resonance theory.

Grossberg, S. (1980). How does the brain build a cognitive code? Psychological Review, 87, pp. 1-51.
Carpenter, G.A. (2001). Neural network models of learning and memory: leading questions and an emerging framework. Trends in Cognitive Sciences, 5, 114-118

Štatistické a detekčno-teoretické modelovanie.   

Durlach (1968) Detection Model for Psychophysics.
Stránka o Luis Leon Thurstone-ovi, ktorý vyvinul veľa psychologických meracích techník.
Definícia korelačného koeficientu na MathWorld.

Týždeň 12:       5.5.      (písomka v čase prednášky)

Týždeň 13:       12.5.  

 

Téma 3: Témy súčasného výskumu v kognitívnychneurálnych vedách na KKUI a v okolí (predbežný plán)

Hosťujúce prednášky (Rudo Andoga, Marek Dobeš)

Rozvrh cvičení (predbežný)

Týždeň 1:         úvod k zadaniam a esejam, popis elektronických zdrojov

Týždeň 2:         odpadá

Týždeň 3:         práca na esejách

Týždeň 4:         zadanie 1 (odovzdať do 24.3.)

Týždeň 5:         zadanie 2 (odovzdať do 31.3.)

Týždeň 6:         voľno

Týždeň 7:         zadanie 3 (odovzdať do 14.4.)

Týždeň 8:         semestrálna písomka v čase prednášky

 

Týždeň 9:         zadanie 4 (odovzdať do 5.5.)

Týždeň 10:       práca na esejách

Týždeň 11:       odovzdať esej

Týždeň 12:       odovzdať zadanie 4

Týždeň 13:       zápočtová písomka

 

Užitočné linky

Neurovedy všeobecne: fakty a obrázky, viac faktov, biofyzika, Nobelove ceny, simulátor Goldmanovej rovnice, elektrofyziológia,

Sluch: EarLab

Zrak: časopriestorové receptívne polia v LGN a V1, citlivosť na orientáciu

Neuroanatómia: atlas mozgu, digitálny atlas LGN, múzeum mozgov, morfológia, anatómia mozgu, zoznam stránok, MPG animácie

Modelovanie: prehľad simulačného softvéru, Genesis, Neuron, recenzie,

Príručky MATLABu: krátka v češtine, obsiahlejšia v angličtine, referenčná v angličtine, a originálna dokumentácia.

Matematika: Štatistika (v slovenčine), MathWorld, Numerické recepty

Jazykové pomôcky: Krátky slovník slovenského jazyka, Veľký lekársky slovník, Anglicko-český lekársky slovník (nie vždy dostupný), slovenský lekársky slovník, Anglický výkladový slovník s výslovnosťou