מודלים של למידת דגמים: מהתנהגות בעלי חיים לרכישת שפה

ירגזי. מקור: flickr, Nottsexminer

אורן קולודני, המחלקה לזואולוגיה
עבודה לשם קבלת תואר דוקטור
מנחה: פרופ' ארנון לוטם, המחלקה לזואולוגיה, אוניברסיטת תל אביב


כדי להבין כיצד בעלי חיים ובני אדם לומדים דגמים ומרכיבים רצפים התנהגותיים, יש לחקור את המקורות האבולוציוניים של התנהגויות אלה. מנגנונים המסוגלים להסביר למידה של דגמים מתוך קלט רציף נחקרים בתחומים שונים, דוגמת מערכות לומדות ורכישת שפה, אולם יש לחפש את שורשיהם האבולוציוניים בהתנהגויות פשוטות, של בעלי חיים קדומים שלמידה וייצוג של סביבתם העניקה להם יתרון הישרדותי. מנגנונים כאלה צפויים למעשה להיות נפוצים בהקשר של שיחור מזון, קבלת החלטות, למידת שירה בציפורים, פתרון בעיות ולמידה חברתית.
עבודה זו מבוססת על שלושה פרויקטים, שבהם אני בוחן תחילה את התנאים שבהם סלקציה לטובת שיחור מזון יעיל יכולה הייתה להביא לברירה הדרגתית של מנגנוני למידה מורכבים יותר ויותר, ובהמשך אני בוחן את יכולתם של מנגנונים אלו להסביר את ההתמודדות עם אתגר למידה מורכב: רכישת שפה על ידי בני אדם. לשם כך הצעתי ומימשתי בצורת תוכנה מסגרת קוגניטיבית כללית, המבוססת על ממצאים אמפיריים בהתנהגות בעלי חיים, פסיכולוגיה ומדעי הקוגניציה, ואשר כפופה למגבלות של ריאליזם ביולוגי.
בפרויקט הראשון אני חוקר את התנאים שבהם למידה רציפה, שמונעת על ידי מוטיבציה פנימית של הלומד ליצור תמונת עולם המיוצגת באמצעות רשת קשרים בין האלמנטים שבו, עשויה להיות אדפטיבית ביחס ללמידת חיזוקים מקומית או שרשור לאחור. זאת, אף על פי ששלושת המודלים מבוססים על אותן אבני בניין קוגניטיביות של למידה אסוציאטיבית. לצורך כך השתמשתי בסימולציות סוכנים, ששיחרו למזון בסביבה וירטואלית. סימולציות אלה הדגימו כי סביבה המכילה דגמים משמעותיים התורמים לאיתור מזון מעניקה יתרון לבעל חיים שלומד באופן רציף כמתואר לעיל, בפרט כשהמזון נדיר והזמן ללמידה מוגבל. מקורו של היתרון לבעל חיים שלמידתו מונעת על ידי מוטיבציה פנימית הוא בלמידה של דגמים סטטיסטיים בסביבה עוד לפני שאלו מזוהים עם מזון; כשהדבר קורה, הדגמים שנלמדו קודם לכן מגויסים מיד לטובת ייעול שיחור המזון.
בפרויקט השני אני עושה שימוש באותה פרדיגמה מחקרית על מנת לחקור את התנאים הסביבתיים, בהקשר של שיחור מזון, שבהם מנגנונים מורכבים מעט יותר עשויים להיות בעלי יתרון, באופן שיוביל להתפתחות יכולות מקדימות הכרחיות ללמידה של שפה. מחקר זה הדגים שהיבטים נפוצים של סביבות שיחור מזון עשויים להביא לסלקציה לטובת שני מנגנונים חשובים: (1) יצירת ייצוג פנימי של רצפי מידע, אשר מאפשרים ייצוג יעיל ומדויק של הדגמים הסטטיסטיים בסביבה, ו-(2) הכללה, המאפשרת ללומד להיעזר במידע ביחס לרצף מוכר על מנת ללמוד על רצף פחות מוכר, על סמך הדמיון של ההקשרים שבהם השניים מופיעים.
חשיבותם של שני הפרויקטים הראשונים בכך שהם מדגימים כיצד סביבות בעלות מאפיינים מציאותיים עשויות להיות בנויות מדגמים שלמידתם מעניקה יתרון הישרדותי, ובהתאם לכך הלחץ הסלקטיבי על האורגניזמים החיים בהן עשוי להביא להתפתחות הדרגתית של מנגנוני למידה משוכללים. מנגנונים אלה עשויים להסביר התנהגויות שנחשבות אופייניות ל'קוגניציה גבוהה' ושנדונות בדרך כלל במנותק מהקשרן האבולוציוני ולמנגנונים שקדמו להן.
בפרויקט השלישי אני מדגים כיצד אותם מנגנונים שהתפתחו לטובת שיחור מזון מותאמים היטב להתמודדות עם היבטים רבים של אתגר למידת השפה הניצב בפני בני אדם בצעירותם. בדומה לאתגר של איתור מזון בסביבה מורכבת, גם השפה האנושית מורכבת מהיררכיות פונקציונליות ומבניות וגם היא נחווית כרצף ממושך וליניארי של קלט. בדומה לייצוג של הסביבה הנבנה על ידי הלומד ועשוי לתמוך בשיחור מזון אפקטיבי, גם הסביבה הלשונית יכולה להיות מיוצגת על ידי גרף מכוון וממושקל, שהצמתים שבו הם רצפים: דגמים שאותרו על ידי הלומד בתוך רצף הקלט וזוהו על ידו כבעלי משמעות, דוגמת מילים וביטויים. כדי להעריך את מידת התאמתו של המודל להתמודדות עם אתגרי למידת שפה שחזרתי סדרה של שבעה עשר ניסויים קלאסיים מתחום למידת השפה, אשר מתחלקים לחמש קטגוריות ובוחנים (1) את היכולת של הדקדוק הנלמד מקלט של שפה טבעית לתמוך בהתמודדות עם רצפי קלט חדשים ובייצור של רצפים כאלה; (2) את מאפייני הייצוג הנלמד; (3) את יכולת המודל לבצע סגמנטציה נכונה ולזהות נכונה רצפים משמעותיים בקלט; (4) את יכולת המודל להתמודד עם למידת דקדוקים מלאכותיים; ו-(5) את יכולת המודל להתמודד עם למידת חוקיות של תלות ארוכת טווח ברצפים דקדוקיים. המודל שיחזר בהצלחה חמש עשרה מתוך שבע עשרה התוצאות האמפיריות בניסויים אלה, ובכך הדגים שמסלול אבולוציוני פשוט יחסית עשוי היה להוביל ממכניזמים פשוטים של למידה אסוציאטיבית מקומית ללמידה של רצפים המכילים דגמים היררכיים מורכבים, המזוהים עם 'קוגניציה גבוהה'.
אימוצה של נקודת מבט אבולוציונית, המציבה תחת פרדיגמה אחת את המחקר של טווח רחב של מנגנוני למידה ממגוון של אורגניזמים ומביאה לידי ביטוי תובנות ממגוון תחומי מחקר - החל ממערכות לומדות ואינטליגנציה מלאכותית ועד התנהגות בעלי חיים, בלשנות ופסיכולוגיה - עשויה לסייע מאד בהבנתנו את טבעם של מנגנונים קוגניטיביים והתנהגותיים.

תכנים