La locuzione "scienza cognitiva" designa, a partire dalla fine degli anni Settanta, l'insieme delle discipline che si dedicano allo studio dei processi cognitivi umani e artificiali. Questa definizione abbraccia anche l'ambito artificiale, poiché un ruolo centrale nella scienza cognitiva è ricoperto dall'intelligenza artificiale (IA). Le ricerche e i risultati dell'IA hanno costituito la spinta propulsiva per la formazione e il consolidamento di questo vasto settore interdisciplinare. Al suo interno si includono, oltre all'IA, la psicologia cognitiva, la linguistica e la psicolinguistica, la filosofia della mente e del linguaggio, e le neuroscienze. Ormai consolidata è anche l'inclusione dell'antropologia, sebbene la sua effettiva appartenenza alla scienza cognitiva rimanga ancora oggetto di dibattito.
Questo articolo si propone di delineare i caratteri fondamentali della scienza cognitiva, il suo "paradigma" in senso kuhniano, con particolare attenzione agli aspetti pertinenti dell'IA, agli sviluppi cognitivisti ad essa attigui e al dibattito filosofico-psicologico che ne è stato un complemento non secondario.
Le Radici Storiche e Teoriche della Scienza Cognitiva
I presupposti storici e teorici per la nascita della scienza cognitiva possono essere individuati già nel celebre test ideato da Alan Turing nel 1950. Turing, matematico che negli anni Trenta aveva teorizzato una macchina di calcolo universale (la macchina di Turing), alla base della scienza dei calcolatori, suggerì, partendo dall'ipotesi dell'impossibilità di distinguere, in circostanze sperimentali opportune, tra le prestazioni cognitive di una macchina e quelle di un essere umano, un'affinità, se non addirittura un'identità, tra intelligenza umana e IA. In questo modo, pose le basi - sebbene in una forma embrionale ancora influenzata dalla visione comportamentista della mente come black box - del futuro orientamento di ricerca, volto a privilegiare lo studio delle operazioni mentali rispetto al loro sostrato biologico, delle funzioni cognitive rispetto alle strutture neurocerebrali. Tale orientamento, pur creando difficoltà per l'auspicata integrazione tra le varie scienze che si occupano dell'intelligenza e le neuroscienze, rappresenta la caratteristica distintiva della scienza cognitiva.
Sin dagli anni Quaranta, erano stati proposti programmi di ricerca, rientranti nella cibernetica o ad essa contigui, caratterizzati da una maggiore integrazione tra studio della mente e studio delle attività neurocerebrali. Questi programmi si basavano sull'idea di una sostanziale analogia tra il funzionamento del cervello e quello delle macchine. Oltre al celebre articolo di Warren McCulloch e Walter Pitts (1943), che assimilava le attività neurali del cervello alle operazioni di una macchina di calcolo operante secondo le regole logiche dell'algebra booleana, va ricordata l'ipotesi di Kenneth Craik (1943) secondo cui il pensiero consiste in processi di modellizzazione simbolico-rappresentativa di aspetti della realtà, realizzati dall'attività neurocerebrale e paragonabili, in linea di principio, a quelli di macchine come i puntatori anti-aerei. Anche John von Neumann, fondatore della scienza dei calcolatori, delineò analogie tra cervello e calcolatore, sebbene in forma cauta.
I programmi di ricerca basati su tali analogie, benché perseguiti sino agli anni Sessanta, si dimostrarono minoritari e furono soppiantati dal più promettente programma dell'IA, interessato non alla simulazione delle attività neurocerebrali, ma a quella dei processi mentali. Solo di recente, con il cosiddetto connessionismo, si è ritornati a considerare l'ipotesi di una simulazione computazionale delle attività neurali ai fini della comprensione di quelle cognitive.
Un'altra fonte storica da cui ha preso avvio la costituzione della scienza cognitiva è la reazione al comportamentismo rappresentata dalla nascita della psicologia cognitiva. Basata sul paradigma della mente come sistema di elaborazione di informazioni (human information processing) e largamente influenzata dalla ricerca di IA e dalla computer science, la psicologia cognitiva si caratterizza per il ripristino, all'interno della ricerca psicologica sperimentale, di nozioni e processi mentalistici (rappresentazioni e categorizzazioni mentali, schemi cognitivi, motivazioni, scopi, processi inferenziali e decisionali) che il comportamentismo aveva espunto dalla ricerca psicologica in quanto privi di legittimità empirica.
A ciò si aggiunge l'enorme impatto delle teorie linguistiche di Noam Chomsky, che, sfociando in ambito psicolinguistico, ipotizzarono l'esistenza di autentiche capacità mentali innate, di origine biologica, sviluppate e affinate nel rapporto con l'ambiente, a fondamento dell'apprendimento e della competenza linguistici.
La Nascita Ufficiale e il Paradigma della Scienza Cognitiva
Benché le ricerche che convergono nell'ambito della scienza cognitiva avessero raggiunto una loro maturità già tra gli anni Sessanta e Settanta, la data di nascita ufficiale della disciplina è il 1978, anno in cui si tenne a La Jolla (California) un convegno organizzato dalla Cognitive Science Society.
La caratteristica centrale della scienza cognitiva è la tesi che le attività cognitive umane siano concepibili nei termini di un sistema di "rappresentazioni mentali" che impone "un livello di analisi del tutto separato da quello biologico o neurologico da un lato e da quello sociologico o culturale dall'altro". Questo livello trova nell'elaboratore elettronico il modello privilegiato "del modo in cui funziona la mente umana". In certa misura, la scienza cognitiva costituisce lo sviluppo, su basi scientifiche e tecnologiche, della vecchia idea di Hobbes che il ragionamento non consista in altro che calcolo.
Sebbene la simulazione al calcolatore e la concezione computazionale della mente e dei processi cognitivi costituiscano i presupposti metodologici della nuova scienza, non sempre esiste accordo sui modi specifici e sulla validità generale della metodologia simulativa. L'analogia tra mente e calcolatore, o meglio, tra mente e programmi eseguiti da calcolatori, costituisce in ogni caso il nucleo concettuale dell'IA.
Modelli Computazionali e la Simulazione dei Processi Cognitivi
Sulla base dell'idea che l'attività cognitiva umana consista essenzialmente nell'elaborazione di un certo insieme di informazioni, le ricerche della scienza cognitiva sono state principalmente volte a costruire modelli di elaborazione dell'informazione che siano sperimentalmente controllabili. L'enorme sviluppo della scienza dei calcolatori ha reso praticabile l'implementazione su software di modelli computazionali da confrontare con le operazioni cognitive effettivamente realizzate dagli esseri umani, al fine di verificarne l'adeguatezza empirica e eventualmente correggerli.
Il punto di partenza di questo percorso è costituito dalla scrupolosa osservazione del modo in cui si suppone ragionino i soggetti umani in condizioni opportunamente selezionate, così da determinare i vincoli da porre alla costruzione dei modelli cognitivi ipotizzabili e all'elaborazione dei programmi da implementare. Questa metodologia empirica ha naturalmente costituito un notevole elemento propulsivo nell'elaborazione di realistici modelli computazionali in grado di rappresentare adeguatamente la specificità dei processi cognitivi umani, che non sempre sono riconducibili alle regole formulate in sede di teoria logica.
Ad esempio, benché la logica matematica abbia fornito modelli inferenziali di grande stimolo, è dubbio che il ragionamento umano, almeno nelle situazioni più comuni, si conformi ai canoni normativi della logica classica. Esso si rivela più flessibile e complesso, caratterizzato da inferenze basate su generalizzazioni parziali, su condizionali controfattuali, su informazioni incomplete e ambigue, su conoscenze di sfondo non esplicitate.
I tentativi di descrivere in forma adeguata gli effettivi processi del ragionamento umano hanno dato luogo a ricerche volte a individuare principi riconducibili a logiche che si discostano dalla logica classica, come la logica non monotòna, che formalizza il ragionamento per default, tipico del senso comune.
Nell'ambito dell'IA, sono particolarmente rilevanti le ricerche che mirano a simulare i reali processi cognitivi umani, piuttosto che quelle orientate alla dimostrazione di teoremi logici o all'automazione del gioco degli scacchi. L'implementazione dei sistemi esperti, programmi che ottimizzano prestazioni scientifiche e tecnologiche, rappresenta un esempio di questo orientamento.
Newell e Simon: Pionieri del Problem Solving Computazionale
Un contributo determinante all'analisi della risoluzione di problemi è stato apportato da Allen Newell e Herbert Simon. Il loro monumentale lavoro sul problem solving (1972) è tuttora tra i risultati più importanti e prolifici della scienza cognitiva. Basandosi su dati empirici costituiti dai "protocolli" di soggetti che risolvevano problemi ad alta voce, Newell e Simon cercarono di fornire una descrizione del modo in cui le informazioni pertinenti alla soluzione vengono ricuperate dalla memoria a lungo termine e utilizzate per risolvere sottoproblemi.
Il loro programma computazionale GPS (General Problem Solver) mirava a simulare in modo generale l'attività di problem solving, ricomprendendo anche i problemi della vita quotidiana. Tuttavia, trova il suo limite nella specializzazione a risolvere problemi di tipo "strutturato", cioè chiaramente definiti sul piano delle regole, dei vincoli e degli obiettivi.
Herbert Simon - Perché prendere decisioni è così difficile
L'Influenza della Linguistica e la Teoria dei Frames
Accanto al lavoro di Newell e Simon, altri risultati significativi della scienza cognitiva includono la teoria delle reti semantiche di M.R. Quillian, la teoria dei prototipi di Eleanor Rosch e, in particolare, la teoria dei frames di Marvin Minsky. Minsky ha mosso obiezioni radicali agli approcci "logicisti" alla cognizione, focalizzandosi sulle caratteristiche del pensiero di senso comune, influenzato da conoscenze implicite e contesti, e sulla sua flessibilità.
Apprendimento e Memoria: Una Prospettiva Molecolare e Cellulare
Gli studi moderni di psicologia cognitiva hanno dimostrato che apprendimento e memoria non sono facoltà unitarie, ma processi costituiti da stadi di elaborazione differenti. Questi processi sono distinguibili in base alla natura specifica dell'informazione elaborata e al decorso temporale del consolidamento o decadimento dell'informazione acquisita.
L'apprendimento esplicito o dichiarativo è connesso all'acquisizione di informazioni su individui, luoghi e cose. L'apprendimento implicito o procedurale riguarda l'apprendimento di abilità motorie o di altro genere, inclusi processi associativi semplici come il condizionamento classico e processi non associativi come la sensibilizzazione e l'assuefazione.
Studi di neuropsicologia su pazienti cerebrolesi hanno evidenziato che l'apprendimento esplicito dipende dall'integrità delle strutture del lobo temporale mediale, in particolare la formazione ippocampale. L'apprendimento implicito coinvolge invece percorsi sensoriali, motori o associativi specifici.
Modelli Animali per lo Studio della Memoria
Il sistema nervoso della lumaca marina Aplysia californica si è dimostrato un modello utile per lo studio delle basi cellulari e molecolari dell'apprendimento e della memoria. I meccanismi molecolari che contribuiscono all'immagazzinamento della memoria implicita sono stati studiati estensivamente per il riflesso di ritrazione della branchia in Aplysia.
La sensibilizzazione, una forma elementare di apprendimento, permette all'animale di rafforzare i propri riflessi difensivi. Singoli stimoli alla coda danno luogo a una sensibilizzazione a breve termine, mentre la ripetizione produce apprendimento a lungo termine. Questo processo intensifica la trasmissione sinaptica.
Studi su Aplysia indicano che i cambiamenti a breve e a lungo termine nella memoria condividono un meccanismo molecolare comune, avviato dalla serotonina (5-HT). Tuttavia, i cambiamenti a lungo termine differiscono per due aspetti importanti: comportano la sintesi di proteine e RNA e un cambiamento strutturale, con la crescita di nuove connessioni sinaptiche.
La Psicologia Cognitiva: Un Ritorno ai Processi Mentali
Il cognitivismo ha riportato in primo piano lo studio dei processi che spiegano l'attività mentale, processi che il comportamentismo radicale aveva rifiutato. L'interpretazione dei processi cognitivi in termini di elaborazione dell'informazione, sul modello del calcolatore digitale, ha profondamente influenzato il suo sviluppo.
L'anno della svolta per il cognitivismo è considerato il 1956, anno del Simposio sulla teoria dell'informazione al MIT, durante il quale Noam Chomsky delineò le idee della grammatica trasformazionale e George Miller presentò la sua celebre tesi sulla capacità della memoria umana a breve termine. Nello stesso anno, a Dartmouth, Newell, Shaw e Simon presentarono il Logic Theorist, un programma per calcolatore ispirato ai processi umani di soluzione di problemi.
Newell, Shaw e Simon proposero un confronto tra l'Information Processing Psychology (IPP) e le teorie psicologiche dell'epoca, diagnosticando una fase di stallo dovuta alla polarizzazione tra gestaltisti e comportamentisti. L'IPP, secondo loro, era in grado di conciliare le esigenze di entrambi gli schieramenti, riconoscendo la complessità della mente e rivendicando al contempo la necessità di uno studio rigoroso.
Il metodo di controllo operativo proposto dall'IPP consisteva nel registrare i protocolli verbali di soggetti che risolvevano problemi, riferendo ad alta voce le procedure utilizzate, e nell'implementare tali procedure in un programma. Il programma era concepito come una descrizione rigorosa e controllabile delle tradizionali nozioni psicologiche relative all'attività mentale.
La Scienza Cognitiva come Area di Incontro Disciplinare
La scienza cognitiva è rapidamente diventata un'area di incontro di discipline diverse: linguistica, filosofia, psicologia, neuroscienze e IA. In esse è evidente l'influsso dell'approccio computazionale, ispirato alla macchina di Turing. Nella sua tendenza più radicale, la scienza cognitiva condivide l'ipotesi computazionale del "sistema fisico di simboli" formulata da Newell e Simon, secondo cui alla base dell'intelligenza vi è la capacità di manipolare strutture simboliche secondo regole.
Le ricerche sperimentali di psicologia cognitiva, dedicate alla percezione, al linguaggio, all'apprendimento e alle diverse forme della memoria, si affiancano alle ricerche di neuropsicologia cognitiva, interessate alle disfunzioni cognitive conseguenti a danni cerebrali.
Le Neuroscienze Cognitive e la Mente come Funzione Cerebrale
Con lo sviluppo di tecniche per lo studio dell'attività cerebrale, la psicologia cognitiva si è fusa, o trasformata, in neuroscienza cognitiva. La caratteristica principale di questo approccio è considerare la mente come ciò che fa il cervello, ossia la comprensione dei sistemi e sottosistemi neurali che implementano diverse funzioni cognitive. Particolare attenzione è rivolta alla corteccia prefrontale, essenziale per i processi esecutivi e cognitivi.
L'Eredità di Allen Newell
Allen Newell è stato un ricercatore attivo soprattutto nel campo dell'intelligenza artificiale e della psicologia cognitiva. Ha collaborato per molti anni con Herbert Simon, dividendo con lui il Premio Turing nel 1975. La sua carriera è stata segnata dalla creazione di programmi innovativi come il Logic Theory Machine e il General Problem Solver (GPS), e culminò nella creazione del SOAR (1990). Newell ha rivoluzionato il concetto di sistema intelligente, ricevendo numerosi premi internazionali e tenendo lezioni nelle più grandi università del mondo.
Il Cognitivismo e la Psicologia
Il termine "cognitivo", importato nella letteratura scientifica italiana dall'inglese "cognitive", indica una particolare classe di fenomeni mentali (intellettivi e razionali) e un orientamento teorico che concepisce la mente come un sistema di elaborazione dell'informazione. La psicologia cognitiva si contrappone al comportamentismo, reintroducendo concetti mentalistici e tornando a una concezione in cui il comportamento è solo la via d'accesso alla mente.
L'influenza dell'informatica e della tecnologia dei calcolatori è evidente nella costruzione di modelli teorici come diagrammi di flusso dell'informazione, analoghi agli schemi a blocchi dei calcolatori. L'influenza di Chomsky è importante per la separazione tra mente e coscienza e per l'integrazione tra linguistica e psicolinguistica.
La psicologia cognitiva, pur non avendo innovato radicalmente i metodi empirici di ricerca (rimanendo prevalentemente sperimentale), ha ottenuto notevoli risultati nella costruzione di modelli teorici. L'approccio cognitivista ha superato i confini disciplinari della psicologia, dando origine a campi come la neuropsicologia cognitiva e l'antropologia cognitiva.
La Scienza Cognitiva: Un'Impresa Interdisciplinare in Evoluzione
La scienza cognitiva, come impresa interdisciplinare, va oltre la psicologia e l'intelligenza artificiale, dato che la concezione della mente come elaborazione dell'informazione si è affermata in molte discipline che hanno per oggetto la mente e la società. La comune concezione della mente come elaborazione dell'informazione è sufficiente a rendere possibile lo scambio e l'interesse reciproco tra le discipline, ma non ancora a fondare un'integrazione più intima. La sua evoluzione continua, promettendo ulteriori scoperte sulla natura della cognizione umana e artificiale.
tags: #newell #psicologia #cognitiva #treccani