Cos'è il feedback: la definizione di Wiener.

     <<Questo comando della macchina sulla base del suo funzionamento effettivo anziché del suo comportamento previsto è conosciuto come retroazione (feedback), e implica che i membri sensori, messi in azione dai membri motori svolgano una funzione di rivelatori o segnalatori, cioè di elementi che indicano il comportamento>> (Norbert Wiener, Introduzione alle cibernetica, Boringhieri, Torino, 1966 - tit.or. The Human Use of Human Beings, Houghton Mifflin Company, Boston, 1950)

Un esempio di sistema cognitivo

     Il libro di Braitenberg mira a dimostrare come certi predicati che riteniamo attribuibili solo ipotizzando la mente (volere, desiderare, evitare ecc) siano descrivibili in termini di comportamenti semplici e addirittura imitabili da macchine. Io intendo usare questi esempi per mostrare come una forma molto semplice di feedback possa farci comprendere la natura della conoscenza.

     Supponiamo di avere un veicolo costruito con ruote motorizzate e con il seguente programma:
 

Fig. 1/2

La variabile ruotegirano è binaria e vale 1 se le ruote girano, 0 se la rotazione viene interrotta.      Con queste istruzioni il veicolo avanza fino a che non incontra un ostacolo tale per cui le ruote si fermano. Quando le ruote si fermano si stacca la frizione automaticamente (ipotizziamo condizioni di attrito e di potenza del motore tali per cui le ruote non slittano). In tal caso il veicolo effettua una retromarcia per la durata di un secondo, sterza 90 gradi a sinistra e riparte.

     Immaginiamo un osservatore, che chiamiamo Alessio, che osservi il veicolo muoversi nel suo ambiente.
     Ecco lo schema del semplice comportamento che osserverà.

     Perciò ora immaginiamo un secondo osservatore, Buffalmacco, che sta in una stanza chiusa e ha di fronte a sé un monitor, collegato a U1. B è un essere molto semplice, dotato solo di funzioni rudimentali: sa tenere un conto approssimativo del tempo e sa associare in modo stabile gli eventi che accadono contemporaneamente e successivamente. Ha perciò una rudimentale memoria.
     Sul monitor sono rappresentate le variabili e gli stati di U1: 

• ruotegirano (RG); 
• motore-avanti (MA); 
• motore-indietro (MI); 
• sterza (90SX). 

     B vede perciò soltanto l'alternarsi di 0/1 (spento/acceso) relativi ai valori di RG, MA, MI, 90SX: luci colorate che si accendono e si spengono.
     E' chiaro che quello che sappiamo noi è diverso da quello che sa Buffalmacco, perché noi abbiamo dei mezzi diversi di conoscenza.
     Cerchiamo di capire che cosa 'sa' B. 
     Può stabilire, dopo un'osservazione di qualsivoglia durata, che tra le luci colorate vi sono delle relazioni associative: RG è 1 se MA è 1 o MI = 1. MI è 1 quando MA è zero e viceversa; 90SX è sempre 0 e diventa 1 solo in seguito alla sequenza: RG 1 -> 0; MA 1 -> 0; MI 0 = 1; RG 0 -> 1; MA 0 = 1. E così via. A quel punto 90SX passa a 1 per un breve periodo e poi torna a zero. E' chiaro che B deve essere in grado di disporre questi eventi nel tempo, e verificare i loro stati contemporanei e successivi.
     Questo non richiede facoltà cognitive molto raffinate.
     B non è in grado di concludere che vi sono rapporti di causa ed effetto tra le luci. Si limita a rilevare associazioni e regolarità.
     Egli a un certo punto arriverà a concludere che c'è una sequenza fissa di stati che si ripete ciclicamente.
 

     Tra le varie conclusioni di B, tuttavia, ce n'è una empirica.
     B noterà che il tempo che passa tra le varie fasi non è sempre regolare.
     Vediamo la stessa tabella con una misurazione del tempo in un caso empirico:
 
 
 

L'esperienza

     E' questo ciò che Charles Peirce intende per secondità, e che noi possiamo chiamare esperienza.

     Scrive Peirce:

     Whenever we come to know a fact, it is by its resisting us. A man may walk down Wall Street debating within himself the existence of an external world; but if in his brown study he jostles up against somebody who angrily draws off and knocks him down, the sceptic is unlikely to carry his scepticism so far as to doubt whether anything beside the ego was concerned in that phenomenon. The resistance shows him that something independent of him is there. When anything strikes upon the senses, the mind's train of thought is always interrupted; for if it were not, nothing would distinguish the new observation from a fancy. (CP 1.431)

     E di questo ce n'è un'abbondanza enorme nella vita quotidiana. Lo chiamiamo 'contingente', ma anche -più semplicemente- 'fatto'.
     Molto spesso è esperienza esterna, ma non è detto che lo sia. Una senzazione interna, come il mal di denti o un'improvvisa emozione hanno il carattere della secondità. Anche un'idea creativa ha dei caratteri di imprevedibilità ma è interna.

     Quindi, le conoscenze 'date' non hanno carattere di 'fatti' perché hanno un certo contenuto (cioè perché sono in un certo modo), ma perché il loro accadere ha una certa forma rispetto alla nostra mente, cioè ai nostri sistemi di attese. 
     La luce di cui B non riesce a prevedere la durata (cioè che sfugge ai suoi sistemi di attese o abiti) è uguale alle altre. Anzi, potremmo cambiarla con un'altra. Quello che è imprevedibile è il suo stato, cioè il modo con cui varia.

     Possiamo anche sapere come sono le nostre esperienze, ma non sappiamo quando accadono. 
     Questo esempio vuol far capire che l'esperienza non si distingue per il contenuto ma per il fatto che accade, cioè si distacca imprevedibilmente dai sistemi di attese. Il contenuto è definito dal nostro sistema percettivo, cioè dai sensori, che reagiscono a certi eventi, in un certo modo (cambiando stato).
 

I nostri occhi reagiscono alla luce e trasmettono segnali al nostro cervello. Il cervello elabora gli stati dei nervi, non il mondo esterno. Possiamo dire che 'ascolta' le orecchie, non i suoni; 'vede' gli occhi e non la luce; 'tocca' le dita e non gli oggetti; 'gusta' la lingua e non i cibi, 'annusa' il naso e non gli odori. Quindi conosciamo solo stati di noi stessi. Ma allora, come conosciamo il mondo esterno?

     Quando immaginiamo qualcosa, il nostro cervello reagisce in modo simile a quando percepiamo qualcosa di esterno. Ma gli stati sono percepiti come 'esterni' quando interrompono gli schemi acquisiti, le complesse configurazioni di stati appresi dal cervello. Ciò significa che percepiamo solo ciò che è 'nuovo'? In un certo senso sì. Ma il nostro sistema cognitivo è così complesso che vi sono innumerevoli particolari nella sfera percettiva che il cervello non può prevedere. Il carattere ipnotico di certi insiemi di sensazioni (ripetute, cicliche, monotone) è dovuto proprio al fatto che si perde la distinzione tra interno ed esterno: non sappiamo se sogniamo, immaginiamo o percepiamo.
 

L'ambiente

     Ci rendiamo subito conto che non ha senso immaginare U1 senza immaginare un ambiente nel quale collocarlo. Ed è esattamente uno dei punti fondamentali che dobbiamo -secondo me- tenere in mente: qualsiasi sia la nostra definizione di 'esperienza' e di soggetto (uomo, animale ecc), non possiamo neppure pensare che tra i due piani non vi sia una complementarità. Dunque, comunque siano i segni 'dati', essi sono 'miracolosamente' adatti a che le nostre azioni e conoscenze non siano né inutili (U1 fortunato e stupido) né impossibili (U1 nel blocco di creta). Non possiamo però essere certi che non siano vane (la scatola).
     Peirce riteneva che uomo e mondo fossero misteriosamente 'in accordo' in modo tale che l'uomo riesce a 'indovinare giusto' ('to guess right') più spesso che sbagliato. Vedremo in un'altra lezione perché la conoscenza sia definita 'indovinare'.
     Oggi questo è un punto di arrivo: l'uomo fa parte della natura e del mondo e si è sviluppato in interazione (feedback) con l'ambiente. Perciò i suoi sensi e il suo sistema cognitivo sono adatti a conoscere l'ambiente e a fare da base a decisioni funzionali ad esso.
 

Se immaginiamo che l'ambiente attorno a noi cambi (e in effetti sta cambiando molto rapidamente) quali sensi potrebbero essere utili?

Conoscenza e ambiente

     Nell'ambiente di fig.6 U1 avanza verso il muro A, lo urta, retrocede e sterza a sinistra, urta B, retrocede e sterza, urta C, retrocede e sterza, urta D, e a questo punto ripete quanto aveva fatto.
     <<E' imprigionato perché non riesce a vedere l'uscita>> direbbe A. Tuttavia U1 non può 'percepire' le vie d'uscita a causa di come è fatto lui e di come è fatto l'ambiente. Infatti dal punto di vista di B l'universo di fig.6 è diverso da quello che vede A. In esso B nota che la fase 1 è di durata prevedibile. Se egli vede solo questo universo, non avrà mai alcuna nozione di secondità. Non vi sarà nulla di imprevedibile nel modello a fasi delle luci. E' un mondo di sola immaginazione.
Così, un'esperienza che si ripete sempre esattamente uguale (come quella di un prigioniero o di un monaco) tende a confondere realtà e pensiero. Per fortuna, l'uomo possiede un cervello e un sistema di conoscenza molto più sofisticato, che è in grado di cogliere variazioni anche in una vita molto ripetitiva. L'esperienza contiene sempre un po' di secondità. E la memoria non è mai totale.

     Se rovesciamo la posizione dei muri, tutto cambia: U1, partendo dalla posizione nella quale è raffigurato, ignorerà per sempre l'esistenza di B, C e D, e dopo aver urtato A si avvierà felice verso spazi aperti.

     Alessio nota che U1 nell'ambiente di fig. 6 non trova vie di fuga perché non può interagire con esse. La ripetitività del suo comportamento è dovuta all'interazione tra le sue proprietà (se fosse programmato per sterzare a destra passerebbe alla situazione di fig. 7) e quelle dell'ambiente (se sterzasse a destra ma si trovasse nell'ambiente di fig. 7 la situazione resterebbe uguale.

     Per B l'universo di fig. 7 è completamente diverso: egli nota che dopo un ciclo la fase 1 si prolunga all'infinito.
     Due universi che dall'esterno appaiono quasi identici vengono visti da B in modo completamente diverso. Gli ostacoli B, C e D di fig.4 sono inconoscibili per contingenza. Se fossero posti in un altro modo, U1 potrebbe 'conoscerli', cioè interagire con essi, e anche se U1 fosse diverso.
     E' il caso dei fatti che non incontriamo. Potremmo conoscerli, ma non li conosciamo perché non ci imbattiamo in essi.

     Possiamo immaginare, oltre ad ambienti con proprietà percepibili che però B non incontra, ambienti con proprietà del tutto 'invisibili' per B. Per esempio, se immaginiamo che il veicolo finisca su una superficie coperta di ghiaia fine, e se le sue ruote non si fermano perché l'attrito non è più sufficiente, U1 continuerà a far girare le ruote, soddisfacendo RG = 1. U1 quindi reagisce alla ghiaia e allo spazio senza ostacoli in modo identico. Per B non vi è differenza tra i due ambienti, dunque per il suo 'sistema percettivo' sono equivalenti. Analogamente, per i sensi di un essere umano l'atmosfera normale e un'atmosfera radioattiva sono identiche, mentre non lo sono per un contatore Geiger.
 

Ci sono molti esempi di eventi e condizioni ambientali non percepibili dall'uomo, o ambigue. P.es il moto relativo di due treni in stazione, l'equiparazione di Einstein della forza di gravità con l'accelerazione. Trovare altri esempi.

     Questo esempio ci fa capire che la forma della secondità non dipende né dal veicolo (soggetto) né dall'ambiente, ma dal modo in cui entrano in relazione.
     Detto in altre parole, ogni sistema percettivo è in grado di reagire a certi range di eventi-stimolo e solo ad essi, quindi per quel sistema l'ambiente consiste in quel range di eventi e nel modo con cui essi accadono rispetto ai parametri interni del sistema (sequenza, posizione, ritmo ecc).

     I recettori del sistema percettivo non fanno altro che inviare al sistema nervoso centrale del soggetto le 'forme' con le quali accadono gli stimoli. Queste forme, comunque, sono dotate di una qualità specifica che è proprio quella di essere 'accaduti'. Questa qualità può essere proprio quella 'interruzione del treno di pensieri' di cui parla Peirce. 
     Il contenuto della secondità è dunque un carattere formale, poiché ciò che è esterno è rappresentato attraverso combinazioni dei recettori attivati; ma l'essenza della secondità, cioè che certe combinazioni di stimoli sono rappresentazioni dell'esperienza esterna, dipende da una caratteristica specifica dei segnali nervosi. Dunque non sono i contenuti che differenziano la conoscenza diretta, sia del mondo esterno (sensazione) sia di quello interno (percezione interna), ma la sua caratteristica di fattualità di accadimento, la sua secondità. I fatti, insomma, appaiono come fatti perché questa è una caratteristica primaria. Banale, ma non troppo. I fatti non sono la realtà, la rappresentano, sono segni del mondo esterno (indici). Ci possono essere fatti che non abbiamo incontrato e fatti che non possiamo percepire direttamente. 
 

Quando studiamo la conoscenza in un essere vivente o artificiale, siamo come A che osserva B. Ma anche noi siamo come B, e conosciamo attraverso U1.      Immaginare una situazione in cui un essere ci studia come A studia B. Com'è, cosa vede?

La realtà

     Ovviamente B non ha nessuna nozione di cosa significano i diversi segnali che ha davanti né i comandi.
     Al comando aggiungiamo però uno stimolatore che, quando la spia RG = 0, provoca in B una scossa elettrica dolorosa.

     Introduciamo U2 nel seguente ambiente:

     B inizia a percepire la sequenza di accensione delle luci colorate. Dopo cinque secondi di MA, RG scatta sullo 0 e B percepisce una scossa dolorosa. La sola cosa che può fare per porre fine ad essa è spingere uno dei due pulsanti. Supponiamo che provi la svolta di 90° a Destra. Urterà subito contro il muro, provando di nuovo dolore. A questo punto può ripetere la svolta a Dx: percorrerà il rettilineo in senso contrario fino a urtare ancora contro il muro. 

     B percepisce subito la secondità come sofferenza, ovvero ciò che si oppone ai suoi obiettivi, in questo caso semplicemente di benessere. 
     Dopo una serie di tentativi e di scosse, se il rudimentale sistema cognitivo di B funziona, egli si costruisce una 'sequenza perfetta', cioè una serie di azioni disposte nel tempo (spingere il pulsante di svolta a Dx o a Sx) che gli consentono di percorrere il circuito in modo che RG non scatti mai su 0, e cioè in modo da non subire la scossa. Dato che l'universo di Fig. 9 è finito, B potrà vivere senza sofferenza a patto che spinga il pulsante giusto al momento giusto, cioè svolti a Sx dopo 5", poi a Dx dopo 2" e così via. Ma per lui non vi è questa descrizione: semplicemente sa che deve spingere un pulsante dopo un certo tempo, poi un altro ecc. Questa sequenza, che possiamo chiamare 'perfetta', avrà il significato di 'benessere', mentre ogni errore significherà 'dolore'.
     Finché B rispetta la sequenza perfetta, riesce a eliminare apparentemente la secondità. Ha costruito una regola, una descrizione. La regola rappresenta in qualche modo anche la secondità della scossa elettrica, ma solo per assenza. La regola in qualche modo sta per qualcosa che è nel futuro, cioè un evento che accadrà se non si spinge il pulsante nel momento giusto. Ha la forma logica di un seÖ allora.
     Se esce da questa descrizione, B sa che incontra la secondità. Se supponiamo che ogni tanto B provi un certo piacere nel prendere la scossa, possiamo anche ipotizzare che ricerchi consapevolmente la secondità di RG = 0. Diremo che sta 'usando' l'esperienza. Più interessante è pensare che lo stimolo legato a RG=0 sia -a caso- a volte piacevole e a volte spiacevole.
 

Questa è l'essenza di tutti i concetti: essi sono forme costruite in base a conoscenze passate che servono a conoscenze future, cioè esperienze possibili. Sono regole, cioè generali (seÖ allora).      Che il fuoco brucia è un concetto che apprendiamo da bambini e che ci fa evitare nel futuro il contatto con questo fenomeno. Che la Nutella è buona è un altro concetto. Non tutti i concetti sono così definiti: l'amore, gli esami, il lavoro sono più complessi. Attraverso i concetti gli esseri viventi mirano a ottimizzare l'esperienza, evitando ciò che è dannoso e ricercando ciò che è vantaggioso.

     Se l'ambiente fosse infinito B non potrebbe mai avere delle sequenze perfette: inevitabilmente ogni tanto prenderebbe la scossa. Se è sufficientemente intelligente, costruirà delle sequenze 'periodiche', cioè dei modelli di sequenza che ritiene sicuri. Per esempio, incontrando una regione come fig. 10,

     B può scoprire la sequenza che lo porta a girare intorno a H senza mai ricevere la scossa: tale sequenza (ripetibile attorno a figure diverse con tempi diversi) è tuttavia una 'forma' universale del circuito chiuso, cioè di una topologia 'sicura'. B può costruire la legge dei 360°': quando si possono fare 4 svolte a 90° ciò significa che si possono ripetere all'infinito senza sorprese. Ma -ancora una volta- stiamo supponendo che l'ambiente sia come l'immagine che avete davanti, cioè immutabile. Nulla impedisce che la forma dell'universo in cui B si muove sia mutevole. E che la regola dei 360° non sia mai valida per sempre.
     Questa è la vera natura dell'ambiente in cui noi viviamo.
 

Possiamo notare che molte volte nel comportamento quotidiano non percepiamo veramente il mondo che ci circonda. Quando il giornale al quale collaboro si è trasferito, l'edificio aveva un'ascensore uguale a quello della casa dove ho vissuto per trent'anni, con la differenza che la redazione stava al terzo piano invece che al secondo. Diverse volte, pur sapendo perfettamente dove dovevo andare, ho premuto il pulsante del secondo piano senza rendermene conto. L'ambiente nel quale mi trovavo, infatti, attivava un comportamento depositato nel mio cervello. Fare esempi.

Costruire mappe cognitive

     A questo punto Alessio esce dalla stanza. 
     Consalvo, un collega curioso e attento osservatore, entra nella stanza e vede la mappa del circuito disegnata da A e le sequenze di azioni scritte da B. Se è veramente attento, è in grado di rendersi conto che i due testi hanno qualcosa in comune. Infatti, qualunque sia il tipo di unità che C associa ai numeri, e qualunque sia il tipo di unità che associa ai simboli usati per destra e sinistra (non è detto che siano quelli usati da me) è in grado di vedere che c'è una sequenza simile a quella della mappa. Anche se Alessio non ha indicato i numeri, ma solo i simboli per destra e sinistra (supponiamo siano 0 e 1), Consalvo potrà rilevare che essi si susseguono con lo stesso ordine e sono dello stesso numero delle svolte di 90° della mappa. 
     Sia pure in modo molto approssimativo, C può ipotizzare che A e B hanno descritto lo stesso oggetto, o meglio che c'è un oggetto formale che è descritto sia dalla mappa sia dalla sequenza di simboli. Diciamo che i due testi presentano un isomorfismo (cioè stessa forma).
     Certamente, per arrivare a questo dobbiamo supporre che C sia dotato di un apparato cognitivo piuttosto sofisticato. Ma non abbiamo bisogno di particolare sofisticazione se supponiamo che i due sistemi di simboli siano ripetutamente associati nel sistema sensoriale di C. Quando B confronta le sequenze ripetute nel tempo dell'accensione dei colori, non fa che costruire una traccia unica per eventi diversi, cioè un oggetto formale. Il sistema nervoso è una macchina associativa molto efficiente.
 

Possiamo provare a costruire modelli del circuito usando diverse regole di trasformazione e confrontarli.

Conclusione

     La conoscenza è un comportamento di un organismo vivente che si basa sulla ricezione di stimoli interni ed esterni da parte del sistema nervoso e sul controllo delle azioni (feedback). 
     Gli apparati sensoriali sono parti dell'organismo in grado di mutare di stato in relazione a stimoli esterni e interni, inviando segnali al sistema nervoso centrale (SNC).
     La percezione è l'elaborazione degli stimoli sensoriali in rappresentazioni cognitive. Le rappresentazione si formano dall'interazione tra gli stimoli e gli schemi di organizzazione degli stimoli, che sono in parte innati in parte appresi e memorizzati dal SNC come conoscenza. Gli schemi di organizzazione degli stimoli sono rappresentazioni cognitive confrontate con gli stimoli in ingresso.
     La conoscenza di un individuo è il complesso sistematico delle rappresentazioni cognitive, degli schemi di azione attivabili dall'organismo, e delle procedure per collegare le rappresentazioni alle azioni (valutazione, giudizio). E' un sistema dinamico, cioè deve essere concepita in movimento, perché cambia continuamente. 
     Un sistema cognitivo è un apparato in grado di memorizzare forme di stati derivate dall'esperienza prevedendo stati futuri positivi o negativi e di azionare i membri motori per evitarli o ricercarli.
     I segnali sensoriali, le rappresentazioni cognitive e gli schemi di azioni dal punto di vista logico sono segni, perché servono a rappresentare il mondo esterno, l'individuo stesso e le azioni possibili.
     In assenza di segni, un organismo è privo di conoscenza.