4.3: Asociaciones

La ciencia cognitiva clásica ha sido profundamente influenciada por la filosofía cartesiana del siglo XVII (Descartes, 1996, 2006). La visión cartesiana de que pensar equivale a realizar la lógica mental —que es un discurso mental de computación o cálculo (Hobbes, 1967 )— ha inspirado el logicismo que sirve como fundamento del enfoque clásico. Las nociones clásicas fundamentales, como la suposición de que la cognición es el resultado de la manipulación de símbolos gobernada por reglas (Craik, 1943) o que se requiere conocimiento innato para resolver problemas de subdeterminación (Chomsky, 1965, 1966), han dado como resultado que la clásica sea vista como una nueva variante de la cartesiana racionalismo (Paivio, 1986). Una desviación clásica clave de Descartes es su rechazo al dualismo.

La ciencia cognitiva clásica ha apelado a reglas recursivas para permitir que los dispositivos finitos generen una infinita variedad de comportamientos potenciales. La ciencia cognitiva clásica es el racionalismo moderno, y una de las ideas clave que emplea es la recursión. La ciencia cognitiva coneccionista tiene raíces filosóficas muy diferentes. El conexionismo es la forma moderna de filosofía empirista (Berkeley, 1710; Hume, 1952; Locke, 1977), donde el conocimiento no es innato, sino que se proporciona al percibir el mundo. “El conocimiento de ningún hombre aquí puede ir más allá de su experiencia” (Locke, 1977, p. 83). Si la recursión es fundamental para el racionalismo del enfoque clásico, entonces ¿qué noción es fundamental para el empirismo del conexionismo? La idea clave es la asociación: diferentes ideas pueden vincularse entre sí, de manera que si surge una, entonces la asociación entre ellas hace que surja también la otra.

Durante siglos, filósofos y psicólogos han estudiado las asociaciones empíricamente, a través de la introspección (Warren, 1921). Estas introspecciones han revelado la existencia de secuencias de pensamiento que ocurren durante el pensamiento. El asociacionismo intentó determinar las leyes que darían cuenta de estas secuencias de pensamiento.

El primer relato introspectivo detallado de tales secuencias de pensamiento se puede encontrar en los escritos de Aristóteles del 350 a.C. (Sorabji, 2006, p. 54): “Los actos de recogimiento ocurren porque un cambio es de naturaleza que ocurre tras otro”. Para Aristóteles, las ideas eran imágenes (Cummins, 1989). Argumentó que una secuencia particular de imágenes ocurre ya sea porque esta secuencia es una consecuencia natural de las imágenes, o porque la secuencia ha sido aprendida por hábito. El recuerdo de una memoria particular, entonces, se logra mediante la orientación de esa memoria con las imágenes previas apropiadas, las cuales inician la secuencia deseada de imágenes. “Siempre que recordamos, entonces, sufrimos uno de los cambios anteriores, hasta que sufrimos aquel después de lo cual habitualmente ocurre el cambio en cuestión” (Sorabji, 2006, p. 54). El análisis de Aristóteles de secuencias de pensamiento es fundamental para las técnicas mnemoténicas modernas para recordar listas ordenadas (Lorayne, 2007; Lorayne y Lucas, 1974).

Aristóteles señaló que el recogimiento a través de iniciar una secuencia de imágenes mentales podría ser un proceso deliberado y sistemático. Esto se debió a que la primera imagen de la secuencia podría seleccionarse para que se recogiera con bastante facilidad. El recuerdo de la secuencia, o de la imagen objetivo al final de la secuencia, fue dictado entonces por relaciones lícitas entre ideas adyacentes. Así, Aristóteles inventó las leyes de asociación.

Aristóteles consideró tres tipos diferentes de relaciones entre la imagen inicial y su sucesora: similitud, oposición y contigüidad (temporal):

Y es precisamente por eso que cazamos al sucesor, comenzando en nuestros pensamientos desde el presente o desde otra cosa, y desde algo similar, u opuesto, o vecino. Por este medio se produce el recuerdo. (Sorabji, 2006, p. 54)

En teorías asociacionistas más modernas, las leyes de Aristóteles se llamarían la ley de la similitud, la ley del contraste, y la ley de la contigüidad o la ley del hábito.

La teoría de la memoria de Aristóteles fue esencialmente ignorada durante muchos siglos (Warren, 1921). En cambio, la Europa pre-renacentista y renacentista estaba más interesada en la memoria artificial —mnemónica— que era la base del oratorio griego. Estas técnicas fueron redescubiertas durante la Edad Media bajo la forma de Ad Herennium, un texto sobre retórica de alrededor del 86 a.C que incluía una sección sobre la mejora de la memoria artificial (Yates, 1966). Ad Herennium describió las técnicas mnemotécnicas inventadas por Simónides alrededor del 500 a.C. Si bien la práctica de los nemotécnicos floreció durante la Edad Media, no fue sino hasta el siglo XVII cuando comenzaron a florecer los avances en las teorías asociacionistas de la memoria y el pensamiento.

El surgimiento del asociacionismo moderno comienza con Thomas Hobbes (Warren, 1921). La noción del pensamiento de Hobbes (1967) como discurso mental se basó en su observación de que el pensamiento implicaba una secuencia ordenada de ideas. Hobbes estaba interesado en explicar cómo ocurrieron tales secuencias. Si bien la propia obra de Hobbes fue muy preliminar, inspiró análisis más detallados llevados a cabo por los empiristas británicos que le siguieron.

El filósofo empirista John Locke acuñó la frase asociación de ideas, que apareció por primera vez como título de capítulo en la cuarta edición de An Essay Concerning Human Understanding (Locke, 1977). La obra de Locke fue una reacción explícita contra la filosofía cartesiana (Thilly, 1900); su objetivo era establecer la experiencia como fundamento de todo pensamiento. Señaló que las conexiones entre ideas simples podrían no reflejar un orden natural. Locke lo explicó apelando a la experiencia: Ideas que en sí mismas no son para nada parientes, llegan a estar tan unidas en la mente de algunos hombres que es muy difícil separarlos, siempre mantienen en compañía, y el que en ningún momento entra en el entendimiento sino que su asociado aparece con él. (Locke, 1977, p. 122) Los empiristas británicos del siglo XVIII ampliaron el enfoque de Locke explorando y debatiendo posibles leyes de asociación. George Berkeley (1710) reiteró la ley de contigüidad de Aristóteles y la extendió para dar cuenta de asociaciones que involucran diferentes modos de sensación. David Hume (1852) propuso tres leyes de asociación diferentes: semejanza, contigüidad en tiempo o lugar, y causa o efecto. David Hartley, uno de los primeros filósofos en vincular las leyes asociativas con la función cerebral, vio la contigüidad como la principal fuente de asociaciones e ignoró la ley de semejanza de Hume (Warren, 1921).

Los debates sobre las leyes de asociación continuaron en el siglo XIX. James Mill (1829) sólo refrendó la ley de contigüidad, y negó explícitamente las leyes de causa y efecto o semejanza de Hume. Las ideas de Mill fueron desafiadas y modificadas por su hijo, John Stuart Mill. En su versión revisada del libro de su padre (Mill & Mill, 1869), Mill postuló un conjunto completamente diferente de leyes asociativas, que incluyeron una reintroducción de la ley de similitud de Hume. También reemplazó el relato lineal y mecanicista de ideas complejas de su padre por una “química mental” que avalaba la emergencia no lineal. Esto se debe a que en esta química mental, cuando se crearon ideas complejas vía asociación, el conjunto resultante era más que la suma de sus partes. Alexander Bain (1855) refinó el asociacionismo de John Stuart Mill, proponiendo cuatro leyes diferentes de asociación e intentando reducir todos los procesos intelectuales a estas leyes. Dos de ellas fueron las conocidas leyes de contigüidad y similitud.

Bain fue el puente entre el asociacionismo filosófico y psicológico (Boring, 1950). Se puso de pie,

exactamente en una esquina en el desarrollo de la psicología, con la psicología filosófica que se extiende detrás, y la psicología fisiológica experimental por delante, en una nueva dirección. Los psicólogos del siglo XX pueden leer gran parte de Bain con abundante aprobación; quizás John Locke podría haber hecho lo mismo. (Aburrido, 1950, p. 240)

Un psicólogo que aprobó a Bain fue William James; frecuentemente citó a Bain en sus Principios de Psicología (James, 1890a). El capítulo 14 de esta obra brindó el tratamiento propio de James al asociacionismo. James criticó el énfasis del asociacionismo filosófico en las asociaciones entre contenidos mentales. James propuso una teoría mecanicista y biológica del asociacionismo, alegando que se hicieron asociaciones entre estados cerebrales:

Deberíamos hablar de la asociación de objetos, no de la asociación de ideas. Y en la medida en que la asociación representa una causa, es entre procesos en el cerebro —son éstos los que, al estar asociados de ciertas maneras, determinan qué objetos sucesivos se pensarán. (James, 1890a, p. 554, cursiva original)

James (1890a) intentó reducir otras leyes de asociación a la ley de contigüidad, a la que llamó la ley del hábito y expresó de la siguiente manera: “Cuando dos procesos cerebrales elementales han estado activos juntos o en sucesión inmediata, uno de ellos, al repetirse, tiende a propagar su excitación hacia el otro” (p. 566). Ilustró la acción de esta ley con una figura (James, 1890a, p. 570, figura 40), una versión de la cual se presenta como Figura 4-1.

Figura 4-1. Una memoria distribuida, inicialmente descrita por James (1890a) pero también parte del conexionismo moderno.

La Figura 4-1 ilustra dos ideas, A y B, cada una representada como un patrón de actividad en su propio conjunto de neuronas. A se representa por la actividad en las neuronas a, b, c, d y e; B se representa por la actividad en las neuronas l, m, n, o y p. La suposición es que A representa una experiencia que ocurrió inmediatamente antes de B. Cuando ocurre B, activando sus neuronas, la actividad residual en las neuronas que representan A permite que las dos patrones a asociar por la ley del hábito. Es decir, los “tractos” que conectan las neuronas (las “conexiones modificables” en la Figura 4-1) tienen sus fortalezas modificadas.

La capacidad de la actividad posterior de A para reproducir B se debe a estas conexiones modificadas entre los dos conjuntos de neuronas.

El pensamiento de A debe despertar el de B, porque a, b, c, d, e, cada uno y todos descargarán en l a través de los caminos por los que tuvo lugar su descarga original. De igual manera descargarán en m, n, o, y p; y estos últimos tractos reforzarán también cada uno la acción del otro porque, en la experiencia B, ya han vibrado al unísono. (James, 1890a, p. 569)

El relato biológico de la asociación de James (1890a) revela tres propiedades que son comunes a las redes modernas de conexión. Primero, su sistema es paralelo: más de una neurona puede estar operando al mismo tiempo. Segundo, su sistema es convergente: la actividad de una de las neuronas de salida depende de recibir o sumar las señales enviadas por múltiples neuronas de entrada. Tercero, su sistema está distribuido: la asociación entre A y B es el conjunto de estados de los muchos “tractos” ilustrados en la Figura 4-1; no hay un solo vínculo asociativo.

La ley de hábito de James (1890a) fue central en el mecanismo básico propuesto por el neurocientífico Donald Hebb (1949) para el desarrollo de ensamblajes celulares. Hebb proporcionó una famosa declaración moderna de la ley de hábito de James:

Cuando un axón de la célula A está lo suficientemente cerca como para excitar una célula B y de manera repetida o persistente participa en su disparo, se produce algún proceso de crecimiento o cambio metabólico en una o ambas células de tal manera que aumenta la eficiencia de A, como una de las células que disparan B. (Hebb, 1949, p. 62)

Esto hace explícita la idea moderna conexionista de que el aprendizaje está modificando la fuerza de las conexiones entre procesadores. La teoría de Hebb inspiró las primeras simulaciones informáticas de sistemas de memoria similares a la propuesta por James (Milner, 1957; Rochester et al., 1956). Estas simulaciones revelaron un papel crítico para la inhibición que llevó a Hebb (1959) a revisar su teoría. La neurociencia moderna ha descubierto un fenómeno llamado potenciación a largo plazo que a menudo se cita como una instanciación biológicamente plausible de la teoría de Hebb (Brown, 1990; Gerstner & Kistler, 2002; Martinez & Derrick, 1996; van Hemmen & Senn, 2002).

El viaje de James a través de Hebb a las primeras simulaciones de memoria (Milner, 1957; Rochester et al., 1956) produjo un moderno sistema asociativo de memoria llamado el asociador de patrones estándar (McClelland, 1986). El asociador de patrones estándar, que es estructuralmente idéntico a la Figura 4-1, es una memoria capaz de aprender asociaciones entre pares de patrones de entrada (Steinbuch, 1961; Taylor, 1956) o aprender a asociar un patrón de entrada con una respuesta de categorización (Rosenblatt, 1962; Selfridge, 1956; Widrow & Hoff, 1960).

El asociador de patrones estándar es empirista en el sentido de que su conocimiento es adquirido por la experiencia. Por lo general, la memoria comienza como una pizarra en blanco: todas las conexiones entre procesadores comienzan con pesos iguales a cero. Durante una fase de aprendizaje, pares de patrones a asociar activan simultáneamente las unidades de entrada y salida en la Figura 4-1. Con cada par presentado, todos los pesos de conexión (la fuerza de cada conexión entre un procesador de entrada y un procesador de salida) se modifican agregando un valor a ellos. Este valor se determina de acuerdo con alguna versión de la regla de aprendizaje de Hebb (1949). Por lo general, el valor agregado a un peso es igual a la actividad del procesador en el extremo de entrada de la conexión, multiplicado por la actividad del procesador en el extremo de salida de la conexión, y multiplicado por algún valor fraccionario llamado tasa de aprendizaje. Los detalles matemáticos de dicho aprendizaje se proporcionan en el Capítulo 9 de Dawson (2004).

El asociador de patrones estándar se llama memoria distribuida porque su conocimiento se almacena a lo largo de todas las conexiones de la red, y porque este conjunto de conexiones puede almacenar varias asociaciones diferentes. Durante una fase de recuperación, se utiliza un patrón de señal para activar las unidades de entrada. Esto provoca que las señales se envíen a través de las conexiones en la red. Estas señales son iguales al valor de activación de una unidad de entrada multiplicado por el peso de la conexión a través de la cual se está transmitiendo la actividad. Las señales recibidas por los procesadores de salida se utilizan para calcular la entrada neta, que es simplemente la suma de todas las señales entrantes. En el asociador de patrones estándar, la actividad de una unidad de salida es igual a su entrada neta. Si la memoria está funcionando correctamente, entonces el patrón de activación en las unidades de salida será el patrón que originalmente se asoció con el patrón de señal.

El asociador de patrones estándar es la piedra angular de muchos modelos de memoria creados después de la revolución cognitiva (Anderson, 1972; Anderson et al., 1977; Eich, 1982; Hinton & Anderson, 1981; Murdock, 1982; Pike, 1984; Steinbuch, 1961; Taylor, 1956). Estos modelos son importantes, porque utilizan un principio simple —la ley del hábito de James (1890a, 1890b )— para modelar muchas regularidades sutiles de la memoria humana, incluyendo errores en el recuerdo. Es decir, el asociador de patrones estándar es una especie de memoria que ha sido evaluada con los diferentes tipos de evidencia citados en los Capítulos 2 y 3, en un intento de establecer una fuerte equivalencia.

El asociador de patrones estándar también demuestra otra propiedad crucial para el conexionismo moderno, la degradación agraciada. ¿Cómo se comporta este modelo distribuido si se presenta con una señal ruidosa, o con alguna otra señal que nunca se probó durante el entrenamiento? Genera una respuesta que tiene el mismo grado de ruido que su entrada (Dawson, 1998, Tabla 3-1). Es decir, hay una coincidencia entre la calidad de la entrada de la memoria y la calidad de su salida.

La grácil degradación del asociador de patrones estándar revela que es sensible a la similitud de las señales ruidosas con otras señales que se presentaron durante el entrenamiento. Así, los asociadores de patrones modernos proporcionan alguna evidencia del intento de James (1890a) de reducir otras leyes asociativas, como la ley de similitud, a la ley básica del hábito o la contigüidad.

A pesar de la popularidad y el éxito de las memorias asociativas distribuidas como modelos de aprendizaje y recuerdo humanos (Hinton & Anderson, 1981), tienen un poder extremadamente limitado. Cuando las redes aprenden a través de la regla Hebb, producen errores cuando están sobreentrenadas, se confunden fácilmente por patrones de entrenamiento correlacionados y no aprenden de sus errores (Dawson, 2004). Una regla correctora de errores llamada regla delta (Dawson, 2004; Rosenblatt, 1962; Stone, 1986; Widrow & Hoff, 1960) puede aliviar algunos de estos problemas, pero no los elimina. Si bien la asociación es una noción fundamental en los modelos coneccionistas, otras nociones son requeridas por la ciencia cognitiva conexionista moderna. Una de estas ideas adicionales es el procesamiento no lineal.