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Hebb squat

lunedì, febbraio 1, 2010
By IronPaolo

Ragazzi, questo è un gioco. Come dice il Saggio, “ognuno si diverte come gli pare, diceva quello che si martellava le palle sull’incudine”. In questo caso, una piccola rete neurale che impara a fare squat. Dio come adoro queste mental pipps …a me servono per capire meglio ciò che studio: mettere in pratica la teoria permette di sbattere il muso contro difficoltà sottovalutate dalla semplice lettura, per arrivare ad un grado di conoscenza secondo me superiore perché un minimo “vissuto”. In altre parole, se è vero che è possibile fare tesoro dell’esperienza degli altri evitando errori catastrofici, mettersi un po’ in gioco non può che portare un arricchimento.

Nel 1949 lo psicologo canadese Donald Hebb formulò quella che è diventata la regola di Hebb per l’apprendimento o la sinapsi di Hebb. In pratica formulò delle ipotesi su come potesse avvenire il processo di apprendimento negli strati del cervello.

Nei 40 anni successivi una serie di studi ha sempre più confermato che moltissime strutture cerebrali quali ad esempio l’ippocampo seguono la regola di Hebb, che è disarmante nella sua semplicità.

Il disegno la illustra: se un neurone invia in ingresso il suo +1 ad un altro neurone facendogli emettere il suo +1, la sinapsi diventa più “forte” tramite cambiamenti plastici (chimici o di crescita) in modo da permettere al neurone in ingresso di attivare sempre meglio il neurone di uscita.
Questa semplice regola ha delle implicazioni che nemmeno affronteremo, ciò che è importante è che il cervello funziona così, bene o male: semplici regole applicate ad un numero spropositato di elementi creando schemi del tutto inaspettati.
Il “rinforzo” della sinapsi viene definito Long Term Potentiation, è parte della teoria del Consolidamento

Poiché ho trovato delle implementazioni di reti neurali complicatissime, ho pensato di inventarne io una invece semplicissima (anche se alla fine per farla funzionare ci ho messo circa 30 ore eh…) in modo da dare la percezione di come si potrebbe visualizzare una “traccia neurale”.

Per prima cosa, è bene definire una rappresentazione che abbia significato ma che sia anche semplice da comprendere: a sinistra una rete di 6 neuroni, 3 in ingresso, ognuno si connette a tutti e 3 i neuroni di uscita.
Già così il disegno diventa incomprensibile, con tutti quei fili sparsi. L’ingegnere rende tutto più chiaro con l’uso dei colori o dei tratteggi, creando un bel foglio di Burda, quello che le nostre mamme usavano quando eravamo piccoli per copiare i modelli dalla rivista, un accrocchio incomprensibile di linee aggrovigliate (Burda è la rivista, non un effetto quantistico, chimico, astronomico…)
A destra perciò una rappresentazione più comprensibile: sulle righe i neuroni in ingresso, sulle colonne i neuroni in uscita, gli incroci sono le sinapsi e il diametro dei pallini rappresenta la “forza” della sinapsi.

Il dottor Hebb fa lo squat

Il buon Donald si rivolterà nella tomba sapendo che il suo mirabolante lavoro sull’organizzazione dei comportamenti verrà usato per far fare un rozzo squat ad una rete neurale… Nel disegno qua sopra il nostro squat sotto il parallelo, suddiviso in 10 posizioni differenti, 5 per la discesa e 5 per la risalita.

Ipotizziamo che gli elementi di questo modello siano la schiena, i femorali e i quadricipiti. Mi limito ad illustrare i passaggi successivi solo per la schiena, per semplicità.

Codifico ogni posizione della schiena tramite una sequenza univoca di 0 o di 1, in questo caso sposto l’1 di una casella al passaggio da una posizione ad un’altra: è una convenzione avrei potuto usare 1000 altri modi diversi, ma due cose sono importanti:
  • L’univocità della codifica: ogni posizione è perfettamente identificata dalla sequenza.
  • La sequenza “condensa” in se tutte le informazioni su forza dei muscoli della schiena, messaggi sensori visivi e propriocettivi: in un modello più sofisticato questi sarebbero evidenziati, ma questo contiene comunque le stesse informazioni.

Questo è pertanto il programma motorio per la schiena nello squat: quando la schiena è in una posizione, una riga della tabella input, la successiva inclinazione si ottiene leggendo la corrispondente riga sulla tabella output.

Facile, no? Adesso però la nostra rete di Hebb deve imparare questo programma: se in ingresso ho una configurazione, in uscita non ne voglio una a caso, ma quella che corrisponde alla posizione successiva, ciò significa che la rete sa pilotare la schiena!
“Alleno” la rete, cioè presento una configurazione in ingresso, la corrispondente in uscita e determino come deve variare la “forza” di ogni sinapsi tramite la regola di Hebb: ciò significa che se in ingresso ho un +1 e in uscita un +1 la sinapsi si deve rinforzare, altrimenti no. In questo modo forzo la rete ad imparare che se in ingresso c’è una configurazione, deve scappare in uscita solo una corrispondente altra.

In altre parole, insegno alla rete che se la schiena è inclinata in un certo modo e sto scendendo, l’istante successivo deve inclinarsi maggiormente.

Questo pazzesco disegno è la formazione di una traccia neurale nella nostra rete:
  • A sinistra la matrice 30×30 delle connessioni (schiena, quadricipiti e femorali, ognuno presenta 10 configurazioni in ingresso e 10 in uscita, 30×30)
  • Al centro una fase intermedia del training, si intravede la formazione di una “traccia” perché alcune sinapsi si rinforzano e altre si attenuano.
  • A destra la formazione quasi completa della traccia neurale, una configurazione ben definita di connessioni che permette, data una posizione del corpo in ingresso, di ottenere la successiva configurazione in uscita.
La rete ha appreso lo squat e dopo il training iniziale è autonoma.
 

Questo è il programma motorio per uno squat sopra il parallelo: arrivati ad una certa profondità il tizio… risale. Anche in questo caso la rete impara senza problemi il movimento!

Dopo un po’ si forma una nuova traccia neurale, differente dalla precedente che permette di scendere meno.
Questo è quanto avviene dentro il cervello: apprendere un certo movimento implica cambiare la struttura del proprio Sistema Nervoso, una alterazione fisica. Il movimento viene appreso, che sia “giusto”, che sia “sbagliato”. Poi, viene eseguito sempre allo stesso modo.

La plasticità del cervello è così incredibile che è possibile resettare lo schema, passando da sopra il parallelo a sotto.

Ho allenato la rete per scendere sotto il parallelo, forzandola ad imparare una nuova configurazione. Una volta fatto, il nuovo movimento costituisce l’output del “programma motorio squat”.
Se tutto questo vi sembra un gioco, vi voglio rassicurare: lo è. Però è un gioco basato sui principi di funzionamento del cervello che mostra come sia vera la frase del Grande Saggio: “allenati a cazzo, otterrai risultati del cazzo”
Abbiamo capito che il nostro cervello impara modificandosi, perciò perché fargli imparare delle idiozie che devono essere disimparate?

This entry was posted on lunedì, febbraio 1st, 2010 at 07:36 and is filed under Allenamento. You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed.

One Response to “Hebb squat”

  1. LuCi
    12 febbraio 2010 alle 06:10

    Scusa Paolo,
    non sono certo di aver capito bene un passaggio,
    per cui se non ti è di disturbo ti và di rassicurarmi su una cosa?

    In pratica all’inizio della fase di apprendimento di un movimento,
    dato un imput il SN avrò infinite (esageriamo) “scelte” per completare
    il movimento tra cui scegliere (e quindi il processo sarò più lento e “macchinoso”).
    Ma a poco a poco (con la pratica) emergerà l’output desiderato creando quindi un programma neurale unico e quindi, per forza di cose, più veloce e fluido (ottimizzato?)

    Mi sà che mi sono spiegato da cani, ma a grandi linee è così?

    #6340

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