Tilastotiede ottaa aivoon kuinka aivoja voidaan mallintaa todennäköisyyslaskennalla, ja mitä yllättävää hyötyä siitä voi olla Aapo Hyvärinen Laskennallisen.

Esitys aiheesta: "Tilastotiede ottaa aivoon kuinka aivoja voidaan mallintaa todennäköisyyslaskennalla, ja mitä yllättävää hyötyä siitä voi olla Aapo Hyvärinen Laskennallisen."— Esityksen transkriptio:

1 Tilastotiede ottaa aivoon kuinka aivoja voidaan mallintaa todennäköisyyslaskennalla, ja mitä yllättävää hyötyä siitä voi olla Aapo Hyvärinen Laskennallisen data-analyysin professori Matematiikan ja tilastotieteen laitos sekä tietojenkäsittelytieteen laitos Helsingin Yliopisto Kumpula-Kollokvio 3.3. 2009

2 Hahmotelma Todennäköisyyspäättely  Tekoäly logiikasta tilastotieteeseen Aivot ja niissä tapahtuva tietojenkäsittely  Oppimisen merkitys Aivojen mallintaminen todennäköisyyspäättelynä Siitä seuraava yllättävä hyöty

3 Mitä on todennäköisyyslaskenta? Lasketaan todennäköisyyksiä kuten  Mikä on todennäköisyys voittaa lotossa?  Miten todennäköistä saada tauti X jos on suomalainen mies? Olennaisesti lasketaan kyseisten tapahtumamahdollisuuksien määrä ja jaetaan kokonaismäärällä

4 Entä todennäköisyyspäättely? Päätellään monimutkaisissa tilanteissa  Potilaalla on oire X ja hieman oiretta Y, ja geenit G, H, I (muttei J, kaiketi), asuu paikkakunnalla K lisäksi väittää noudattavansa dieettiä D. Mikä on sairaus?  Metsässä puiden välissä vilahtaa jotain keltaista. Kuuluu outoja ääniä. Mikä on todennäköisyys että se on tiikeri? Tärkeää lainalaisuuksien oppiminen datasta, ja niiden yhdisteleminen

5 Päättely ja (teko)äly 1940- Älykkyys on logiikkaa (klassinen tekoäly)‏ 1980- Älykkyys vaatii oppimista, esim. aivoja matkivilla “neuroverkoilla” 2000- Älykkyys on todennäköisyys- päättelyä, oppiminen tilastotieteellistä Aivojen ja tietokoneiden älykkyyden mallintaminen pitkälti samoilla linjoilla

6 Aivot Tieteen suurin ongelma? Käsitteellistetty eri tavoin:  kellopeli  höyrykone  tietokone  internet? ...

7 Hermosolu (neuroni)‏ S. Ramón y Cajal, 1900 C.W.A. Lee ym., 2005

8 Hermosolut tietojenkäsittelijöinä C.W.A. Lee ym., 2005 Lähettävät sähköisiä signaaleja toisilleen Tietojenkäsittelyn perusyksiköitä (prosessoreita?)‏ “massiivisesti hajautettu ja rinnakkaistettu”: äärimmäisen monta pientä prosessoria

9 Millaista tietojenkäsittelyä hermosolussa? 1943: hermosolut ovat binääriarvoisia loogisia portteja (JA, TAI, EI -operaatioita) 1960: hermosolut laskevat lineaarisen summan sisääntulevista jatkuva-arvoisista signaaleista 1990-luku: tämä voisi olla todennäköisyys- päättelyä

10 Miksi tarvitaan todennäköisyyspäättelyä ? Todennäköisyyspäättely mahdollistaa päättelyn epävarmoissa tilanteissa  Maailma on niin monimutkainen, että epävarmuutta on aina (tiedon epätäydellisyys)‏ Sisältää oppimisen tilastollisten mallien muodossa  Helpottaa älykkyyden “ohjelmointia” Huom: Evoluutiokin on oppimisprosessi

11 Esimerkki: luonnollisten kuvien malli aivoissa Aivoissa malli siitä, minkälaisia silmissä näkyvät kuvat tyypillisesti ovat Malli on tilastollinen, koska mahdotonta kuvata tarkasti Sen perusteella voidaan tehdä erilaisia päättelyitä

12 Esimerkkejä päättelystä + = Osittain peitetty objekti Viiva pisteistä Illusoriset ääriviivat

13 Lineaarinen tilastollinen malli kuvista Kertoimien s tilastollisia ominaisuuksia mallintamalla - opitaan piirteet - voidaan tehdä päättelyä

14 Aivoissa opittuja kuvapiirteitä Apinan aivoista mitattu (D. Ringach, 2007)‏ Simulaatiomme tulokset (Riippumattomien komponenttien analyysi) (Olshausen & Field 1996 mukaan)‏

15 Yllättävä hyöty Tilastolliset mallit, joita aivot ilmeisesti käyttävät, soveltuvat monenlaiseen data- analyysiin, esim. kaikkiin luonnontieteisiin. Älykkyys onkin datan analyysiä aivan kuten tutkijat sitä tekevät? Aivojen mallintaminen, tekoäly, tilastotiede yhdistyvät?

16 Esimerkki yllättävästä hyödystä: aivosähkökäyrien (EEG) analyysi Jälleen riippumattomien komponenttien analyysi

17 Tulevaisuuden kysymyksiä Onko todennäköisyyspäättely älykkyyden viimeinen sana?  Aivot ovat kuitenkin toimintaa varten Onko paras tie tekoälyyn aivojen matkiminen? Onko tekoäly paras tie aivojen ymmärtämiseen?

18 Loppupäätelmä Todennäköisyyspäättely on moderni lähestymistapa  aivojen mallintamiseen  älykkäiden koneiden ohjelmoimiseen  erilaisten datajoukkojen analyysiin Oppiminen ja päättely samassa viitekehyksessä Aivot uusi innoittaja tilastotieteen kehitykseen