Konnektionismus

Der Konnektionismus ist ein Problemlösungsansatz in der Kybernetik und beschäftigt sich mit dem Verhalten vernetzter Systeme basierend auf Zusammenschlüssen von künstlichen Informationsverarbeitungseinheiten.[1] Verhalten wird als Produkt einer Vielzahl interagierender Komponenten verstanden, die sich wechselseitig beeinflussen.[2] Mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze wird die aus einem scheinbaren Chaos erwachsende Systemordnung simuliert.[3] Anwendungsgebiete des Konnektionismus sind unter anderem Neurophysiologie, Psychologie, Biologie, Linguistik, Neuroinformatik, Bewegungswissenschaft und die Künstliche-Intelligenz-Forschung.

Problemlösen mit konnektionistischen Systemen

Problemlösen besteht unabhängig von den jeweiligen Anwendungsfeldern stets aus den Schritten:

  • Informationen erheben
  • Modell bilden
  • Prognose erstellen
  • Ergebnis kontrollieren

Der Schritt der Modellbildung ist dabei zweifellos der schwierigste. Expertensysteme, Simulationen und numerische Rechnungen erfordern detaillierte Kenntnisse des Systems, das untersucht werden soll. Ihr konstruktivistischer Ansatz beruht auf der Hypothese, dass Systeme durch schrittweise vorgenommenes Zerlegen in Teilsysteme bestimmter Struktur vollständig symbolisch beschreib- und damit algorithmisierbar sind.[4]

Bei einem konnektionistischen Modell wird versucht, das (äußere) Verhalten eines Systems als Ganzes nachzubilden durch den Zusammenhang einer großen Anzahl von relativ einfachen und oft recht ähnlichen Einheiten, die in einem dichten Netzwerk miteinander verbunden sind. Diese Einheiten arbeiten lokal und kommunizieren mit anderen nur via Signalen über Verbindungen.

Der Aufbau eines konnektionistischen Modellsystems wird für ausgewählte Beispiele des zu untersuchenden Systems so vorgenommen, dass es unter gleichen Bedingungen das gleiche Verhalten wie sein Vorbild zeigt. Für diese Fälle besteht also eine Isomorphie des Verhaltens, das konnektionistische Modellsystem antwortet auf Eingaben mit den gleichen Ausgaben wie sein reales Vorbild. Da das Systemverhalten nicht algorithmisiert wird, ist jedoch nicht nachvollziehbar, wie das konnektionistische Modellsystem intern funktioniert, seine Ergebnisse entstehen immer aus dem Zusammenwirken aller Elemente. Dabei muss das konnektionistische Modellsystem nicht notwendigerweise isomorph zum Untersuchungsgegenstand sein. Nach Smolensky erfolgt Repräsentation des Wissens subsymbolisch.

Subsymbolische Hypothese

Die Ableitung von Wissen entsteht aus der Interaktion einer großen Anzahl von Einheiten. Diese Interaktion erlaubt keine exakte Beschreibung auf konzeptioneller Ebene, sondern muss direkt durch Modellprozessoren verwirklicht werden. Die Modellvorstellung eines konnektionistischen Systems ist grundlegend und unabhängig von einer konkreten Realisierung. Neben den bekannten künstlichen neuronalen Netzen ist besonders das Sensitivitätsmodell von Frederic Vester als Implementation einer konnektionistischen Auffassung zu erwähnen.

Algorithmische Modelle

Als mathematisch zu beschreibendes Modell wurde das neurophysiologische Konzept des Synapsengewichts entwickelt.[5](a) Dieses ist geeignet zu praktischen Bestätigungen durch Computersimulation.[5](b)

Vorteile konnektionistischer Architekturen

Die wichtigsten Vorteile von Systemen mit konnektionistischer Architektur (Beispiel: das menschliche Gehirn) sind:[6]

  1. Da sie nicht nach vorgegebenen Regeln arbeiten, sind sie sehr anpassungsfähig.
  2. Sie können lernen – allerdings sind lange Vorbereitungszeiten erforderlich, bis das System einsatzbereit ist.
  3. Sie arbeiten auch bei unvollständigen Daten und verrauschten Umgebungen ausgezeichnet, ein bekanntes Beispiel ist die Gesichtserkennung.
  4. Sie sind, aufgrund ihrer Redundanz, robust bei Ausfall von Teilen des Systems.

Symbolismus- vs. Konnektionismus-Debatte

Das Subsymbolisches Paradigma Smolensky’s[7][8] soll sich der Fodor-Pylyshyn-Challenge[9][10][11][12] stellen, die die klassische Symboltheorie für eine überzeugende Theorie der Kognition im modernen Konnektionismus formuliert hat. Um eine adäquate alternative Theorie der Kognition zu sein, müsste Smolensky‘s Subsymbolisches Paradigma die Existenz von Systematizität oder systematischen Relationen in der kognitiven Sprachverarbeitung erklären, ohne die Annahme, dass kognitive Prozesse kausal auf die klassische Konstituentenstruktur der mentalen Repräsentationen reagieren. Das subsymbolische Paradigma bzw. der Konnektionismus allgemein müsste also die Existenz von Systematizität und Kompositionalität erklären, ohne sich auf die bloße Implementierung einer klassischen kognitiven Architektur zu stützen. Diese Herausforderung impliziert ein Dilemma: Wenn das Subsymbolische Paradigma nicht zur Systematizität und Kompositionalität von mentalen Repräsentationen beitragen könnte, wäre es unzureichend als Grundlage für eine alternative Theorie der Kognition. Wenn der Beitrag des Subsymbolische Paradigma zur Systematizität jedoch mentale Prozesse erfordert, die auf der klassischen Konstituentenstruktur mentaler Repräsentationen gründen, wäre die von ihm entwickelte Kognitionstheorie bestenfalls eine Implementationsarchitektur des klassischen Modells der Symboltheorie und damit keine echte alternative (konnektionistische) Theorie der Kognition.[13] Das klassische Modell des Symbolismus ist gekennzeichnet durch (1.) eine kombinatorische Syntax und Semantik mentaler Repräsentationen und (2.) mentale Operationen als struktursensitive Prozesse, gegründet auf dem grundlegenden Prinzip der syntaktischen und semantischen Konstituentenstruktur von mentalen Repräsentationen, wie es in der „Language of Thought (LOT)“ Fodor’s verwendet wird.[14][15] Damit können die folgenden eng miteinander verbundenen Eigenschaften der menschlichen Kognition erklärt werden, und zwar ihre (1.) Produktivität, (2.) Systematizität, (3.) Kompositionalität und (4.) ihre inferentielle Kohärenz.[16]  

Dieser Herausforderung gestellt haben sich im modernen Konnektionismus zum Beispiel nicht nur die „Integrated Connectionist/Symbolic (ICS) Cognitive Architecture“ Smolensky's[17][18], sondern auch die „Oscillatory Networks“ Werning‘s und Maye‘s[19][20][21]. Einen Überblick dazu bietet zum Beispiel Bechtel & Abrahamsen[22], Marcus[23] und Maurer[24].

Siehe auch

Literatur

  • Ulrich Schade: Konnektionismus. Zur Modellierung der Sprachproduktion. Westdeutscher Verlag. Opladen 1992, ISBN 3-531-12301-7 (zugl. Dissertation, Universität Bielefeld 1990).
  • Harald Maurer: Cognitive science: Integrative synchronization mechanisms in cognitive neuroarchitectures of the modern connectionism. CRC Press, Boca Raton/FL, 2021, doi:10.1201/9781351043526, ISBN 978-1-351-04352-6.
  • Jeffrey L. Elman, Elizabeth A. Bates, Mark H. Johnson, Annette Karmiloff-Smith, Domenico Parisi, Kim Plunkett: Rethinking Innateness. A connectionist perspective on development. MIT Press, Cambridge, Mass. 1999, ISBN 0-262-05052-8.
  • Daniel C. Dennett: The Language of thought reconsidered. In: Ders.: The Intentional Stance. 7. Aufl. MIT Press. Cambridge, Mass. 1998, ISBN 0-262-54053-3.
  • Bechtel,W., Abrahamsen, A.A. Connectionism and the Mind: Parallel Processing, Dynamics, and Evolution in Networks. 2nd Edition. Blackwell Publishers, Oxford, 2002.
  • Markus Pospeschill: Konnektionismus und Kognition. Kohlhammer, Stuttgart 2004, ISBN 3-17-018217-X.
  • Georg Dorffner: Konnektionismus. Von neuronalen Netzwerken zu einer „natürlichen“ KI. Teubner, Stuttgart 1991, ISBN 3-519-02455-1.
  • Gary Marcus: The algebraic mind. Integrating connectionism and cognitive science. Bradford Book, The MIT Press, Cambridge, 2001, ISBN 0-262-13379-2.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ Philip T. Quinlan: Connectionism and psychology : a psychological perspective on new connectionist researc. Harvester Wheatsheaf, New York 1991, ISBN 0-7450-0835-6, S. 1.
  2. ↑ David E. Rumelhart, James L. McClelland, San Diego. PDP Research Group. University of California: Parallel distributed processing : explorations in the microstructure of cognitio. MIT Press, Cambridge, Mass. 1986, ISBN 0-262-18120-7, S. 76.
  3. ↑ Rainer Wollny: Bewegungswissenschaft: Ein Lehrbuch in 12 Lektionen. 2. Auflage. Meyer & Meyer, Aachen 2010, ISBN 978-3-89899-183-4, S. 32.
  4. ↑ Allen Newell & Herbert A. Simon: Physical Symbol System Hypothesis. 1976.
  5. ↑ a b Manfred Spitzer: Geist im Netz. Modelle für Lernen, Denken und Handeln. Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 1996, ISBN 3-8274-0109-7:
    (a) S. 21 ff., 29, 31 ff., 45 ff., 57, 220 zu Stw. „Synapsengewicht“;
    (b) S. 34 ff. zu Stw. „Computersimulation“.
  6. ↑ Joachim Funke: Problemlösendes Denken, Kohlhammer Verlag 2003, ISBN 3-17-017425-8.
  7. ↑ P. Smolensky: On the proper treatment of connectionism. In: Behavioral and Brain Sciences. Band 11, 1988, S. 1–74.
  8. ↑ P. Smolensky: The constituent structure of connectionist mental states: a reply to Fodor and Pylyshyn. In: T. Horgan, J. Tienson (Hrsg.): Spindel Conference 1987: Connectionism and the Philosophy of Mind. The Southern Journal of Philosophy. Special Issue on Connectionism and the Foundations of Cognitive Science. Supplement. Band 26, 1988, S. 137–161.
  9. ↑ J.A. Fodor, Z.W. Pylyshyn: Connectionism and cognitive architecture: a critical analysis. Cognition. Band 28, 1988, S. 12–13, 33–50.
  10. ↑ J.A. Fodor, B. McLaughlin: Connectionism and the problem of systematicity: why Smolensky’s solution doesn’t work. Cognition. Band 35, 1990, S. 183–184.
  11. ↑ B. McLaughlin: The connectionism/classicism battle to win souls. Philosophical Studies, Band 71, 1993, S. 171–172.
  12. ↑ B. McLaughlin: Can an ICS architecture meet the systematicity and productivity challenges? In: P. Calvo, J. Symons (Hrsg.): The Architecture of Cognition. Rethinking Fodor and Pylyshyn's Systematicity Challenge. MIT Press, Cambridge/MA, London, 2014, S. 31–76.
  13. ↑ J.A. Fodor, B. McLaughlin: Connectionism and the problem of systematicity: Why Smolensky's solution doesn't work. Cognition. Band 35, 1990, S. 183–184.
  14. ↑ J.A. Fodor: The language of thought. Harvester Press, Sussex, 1976, ISBN 0-85527-309-7.
  15. ↑ J.A. Fodor: LOT 2: The language of thought revisited. Clarendon Press, Oxford, 2008, ISBN 0-19-954877-3.
  16. ↑ J.A. Fodor, Z.W. Pylyshyn (1988), S. 33–48.
  17. ↑ P. Smolenky: Reply: Constituent structure and explanation in an integrated connectionist / symbolic cognitive architecture. In: C. MacDonald, G. MacDonald (Hrsg.): Connectionism: Debates on psychological explanation. Blackwell Publishers. Oxford/UK, Cambridge/MA. Vol. 2, 1995, S. 224, 236–239, 242–244, 250–252, 282.
  18. ↑ P. Smolensky, G. Legendre: The Harmonic Mind: From Neural Computation to Optimality-Theoretic Grammar. Vol. 1: Cognitive Architecture. A Bradford Book, The MIT Press, Cambridge, London, 2006a, ISBN 0-262-19526-7, S. 65–67, 69–71, 74–75, 154–155, 159–202, 209–210, 235–267, 271–342, 513.
  19. ↑ M. Werning: Neuronal synchronization, covariation, and compositional representation. In: M. Werning, E. Machery, G. Schurz (Hrsg.): The compositionality of meaning and content. Vol. II: Applications to linguistics, psychology and neuroscience. Ontos Verlag, 2005, S. 283–312.
  20. ↑ M. Werning: Non-symbolic compositional representation and its neuronal foundation: towards an emulative semantics. In: M. Werning, W. Hinzen, E. Machery (Hrsg.): The Oxford Handbook of Compositionality. Oxford University Press, 2012, S. 633–654.
  21. ↑ A. Maye und M. Werning: Neuronal synchronization: from dynamics feature binding to compositional representations. Chaos and Complexity Letters, Band 2, S. 315–325.
  22. ↑ Bechtel,W., Abrahamsen, A.A. Connectionism and the Mind: Parallel Processing, Dynamics, and Evolution in Networks. 2nd Edition. Blackwell Publishers, Oxford. 2002
  23. ↑ G.F. Marcus: The algebraic mind. Integrating connectionism and cognitive science. Bradford Book, The MIT Press, Cambridge, 2001, ISBN 0-262-13379-2.
  24. ↑ H. Maurer: Cognitive science: Integrative synchronization mechanisms in cognitive neuroarchitectures of the modern connectionism. CRC Press, Boca Raton/FL, 2021, ISBN 978-1-351-04352-6.