Stanislas Dehaene

Collège de France - Année 2023-2024

Chaire de Psychologie Cognitive Expérimentale

Quel code neural pour les représentations mentales ?

Séminaire - Mathias Pessiglione : Origines et conséquences de la fatigue cognitive

Mathias Pessiglione

Directeur de recherches à l'INSERM, chef d'équipe à l'Institut du Cerveau, Paris

Stanislas Dehaene

Collège de France

Année 2023-2024

Chaire de Psychologie Cognitive Expérimentale

06 - La perception des objets mathématiques élémentaires : Modèles de la perception de la géométrie

Résumé

Ce dernier cours examine, avec un regard critique, la diversité des modèles qui ont été proposés pour la représentation mentale des formes géométriques. Comment modéliser les représentations mentales de la géométrie propres à l'espèce humaine ? Mes recherches et celles de mes collaborateurs m'ont conduit à proposer l'existence d'un « langage de la géométrie ». Selon cette hypothèse, seule l'espèce humaine dispose d'une capacité syntaxique ou compositionnelle qui lui permet d'organiser des séquences d'opérations, soit en les répétant, soit en les concaténant, soit encore en les enchâssant de façon récursive. Répétition, concaténation et enchâssement sont les trois seules opérations syntaxiques de ce langage interne qui s'apparente à un langage de programmation, et dont les combinaisons reproduisent l'ensemble des formes géométriques simples que dessinent les enfants et les adultes de toutes cultures. Plusieurs expériences montrent que la perception et la mémoire des formes sont déterminées par une mesure simple : la « longueur minimale de description » (minimal description length), c'est-à-dire la taille du programme le plus court qui permet de reproduire la forme.

Les avancées de l'intelligence artificielle laissent supposer que des réseaux de neurones profonds d'une taille suffisante peuvent acquérir des connaissances mathématiques impressionnantes. Offrent-ils une alternative à l'hypothèse d'un langage de la pensée ? Les travaux du laboratoire montrent qu'il n'en est rien : jusqu'à présent, ces réseaux peinent à acquérir des intuitions géométriques comparables à celles d'un jeune enfant. La symétrie, le parallélisme, la logique qui gouverne ces propriétés géométriques symboliques et discrètes, semblent souvent leur manquer.

Le cours s'attarde également sur un troisième modèle intéressant : l'hypothèse de l'extraction des axes médians d'une forme, pour lequel existent de nombreuses données concordantes. Il s'agit cependant d'un modèle complémentaire, et non alternatif, à l'hypothèse d'un langage de la géométrie : même si notre système visuel extrait l'axe médian, c'est une compétence qui semble partagée avec d'autres primates non humains, et qui ne suffit pas à expliquer l'effet de la régularité géométrique spécifique à l'espèce humaine.

Stanislas Dehaene

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Quel code neural pour les représentations mentales ?

Séminaire - Elizabeth Pellicano : Shifting Priors: A Bayesian Theory of Perception and Learning in Autism

Elizabeth Pellicano

University College London

Changement d'a priori : une théorie bayésienne de la perception et de l'apprentissage dans l'autisme

Résumé

More than 10 years ago, David Burr and I proposed the use of computational modelling to identify the mechanisms that underlie autistic sensation and perception. Specifically, we suggested that attenuated Bayesian priors could result in autistic people's unique perceptual experience: the tendency to perceive the world "as it really is" immediately rather than imbued by prior experience. In this talk, I review the academic response to this proposal over the ensuing decade and trace the way in which it has reshaped the scholarly community's understanding of autism.

Stanislas Dehaene

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05 - La perception des objets mathématiques élémentaires : Le rôle de l'éducation et de l'expérience visuelle dans l'intuition géométrique

Résumé

Comment l'expérience et l'éducation transforment-elles nos intuitions géométriques ? Le cours passe en revue plusieurs expériences menées chez des enfants et des adultes de populations relativement isolées et qui n'ont pas accès à une éducation formelle aux mathématiques. Leurs résultats démontrent la présence d'intuitions profondes pour tous les concepts essentiels de la géométrie, qu'elle soit euclidienne ou même non euclidienne (sur la sphère). Ainsi, les grandes catégories de la pensée géométrique (cercles, droites, parallèles, etc.) se développent relativement spontanément en l'absence d'instructions explicites. Sont-elles alors issues de la perception ? Le cours se poursuit par une analyse des expériences menées sur le sens mathématique chez les aveugles congénitaux. Celles-ci montrent que la vision n'est pas nécessaire pour le développement de représentations mathématiques universelles et de leurs réseaux neuronaux. Ainsi, l'intuition géométrique semble fondamentale : c'est probablement elle qui, dans notre espèce, sous-tend l'appréhension du monde sensible, plutôt que l'inverse.

Stanislas Dehaene

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Quel code neural pour les représentations mentales ?

Séminaire - Lisa Feigenson : How do Infants Learn? The Role of Surprise, Curiosity, and Active Experimentation

Lisa Feigenson

Johns Hopkins University, New York

Comment les bébés apprennent-ils ? Le rôle de la surprise, de la curiosité et de l'expérimentation active

Résumé

The origins of our minds are an enduring puzzle-- what parts of what we know require learning, and what emerges in the absence of specific experience? Questions about how nature and nurture contribute to human knowledge have been productive in driving contemporary research in psychology, linguistics, and neuroscience. Yet, these questions also have been controversial, with some arguing that it is no longer useful to consider development in terms of nature and nurture. Here I revisit classic ideas in this theme, and provide new evidence. First I argue that people, including children and scientists, naturally and intuitively think about human abilities in terms of innateness versus learning. Moreover, we find that their thinking exhibits strong empiricist biases. Characterizing these biases, and their potential to distort scientific reasoning, is critical if we are to come to understand the actual origins of knowledge. Next, I present a case study for thinking about learning that puts new emphasis on the role of prior knowledge. In a series of experiments, we find that infants' acquisition of new information (i.e., nurture) is guided and enhanced by prior knowledge that is likely innate (i.e., nature). These experiments highlight that integrating across the contributions of nature and nurture, rather than ignoring this distinction, is central to understanding phenomena of interest. I suggest that researchers must continue to think about nature/nurture, with the recognition that in so doing we also must characterize, understand, and correct for our intuitive biases.

Stanislas Dehaene

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04 - La perception des objets mathématiques élémentaires : Perception des quadrilatères et singularité de l'espèce humaine en géométrie

Comment tester, expérimentalement, l'hypothèse d'un langage de la géométrie et sa spécificité à l'espèce humaine ? Une série d'expérience, qui a fait l'objet de la thèse de Mathias Sablé-Meyer, a porté sur la perception des quadrilatères. Nous avons créé un test de recherche d'intrus dans lequel les participants devaient détecter une forme déviante parmi cinq répétitions de la même forme de base. Par exemple, la forme de base pouvait être un rectangle, avec des variations de taille et d'orientation, et la forme déviante le même rectangle avec un coin déplacé. Les résultats ont montré un important effet de régularité géométrique : plus la forme de base possède de régularités géométriques (côtés parallèles, côtés égaux, angles droits ou angles égaux), plus les intrus sont faciles à détecter. Ainsi, les carrés, rectangles, trapèzes ou parallélogrammes, qui possèdent des régularités compressibles, sont beaucoup plus faciles à représenter mentalement que des quadrilatères quelconques qui en sont dépourvus.

Une série d'expériences, dont certaines non publiées, montrent que (1) cet effet de régularité géométrique est hautement reproductible, y compris chez des enfants d'âge préscolaire et chez des adultes sans éducation ; (2) les primates non humains ne semblent pas capables de comprendre ce type de régularité géométrique ; (3) les réseaux de neurones artificiels à convolution, qui dominent actuellement le domaine de l'intelligence artificielle, modélisent bien les performances des primates non-humains, mais sont incapables d'expliquer cet aspect élémentaire de la perception visuelle humaine, la reconnaissance d'un simple carré ; (4) deux stratégies sont disponibles pour résoudre la tâche de l'intrus géométrique : une stratégie perceptive, disponible chez tous les primates, dans laquelle les formes géométriques sont traitées dans le système visuel ventral comme n'importe quelle image ou n'importe quel visage ; et une stratégie symbolique, apparemment disponible uniquement chez les humains, dans laquelle les formes géométriques sont comprimées en fonction de leurs propriétés géométriques (parallélisme, angles droits, symétries, etc.) ; (5) l'imagerie cérébrale, tant en IRM fonctionnelle qu'en magnéto-encéphalographie (MEG), démontre l'existence de ces deux voies corticales distinctes pour la perception des formes géométriques.

Ainsi, la perception ou le dessin d'un simple rectangle, comme à Lascaux, signale déjà les prémices d'un langage des objets mathématiques, universel et propre à l'espèce humaine.

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Quel code neural pour les représentations mentales ?

Séminaire - Valentin Wyart : Les rôles respectifs des a priori, du bruit et de la confiance dans l'apprentissage

Valentin Wyart, directeur de recherche Inserm au Laboratoire de neurosciences cognitives et computationnelles de l'École normale supérieure (Paris)

Résumé

Apprendre et décider dans des environnements incertains constitue un défi difficile mais omniprésent pour l'intelligence humaine. Les recherches en psychologie et en neurosciences ont identifié les processus cognitifs élémentaires (appelés inférences) que nous utilisons au quotidien dans une multitude de situations variées pour intégrer des informations ambiguës et agir de façon adaptée. Ces inférences sont étonnamment imprécises (bruitées en termes statistiques), ce qui pose des contraintes fortes sur la précision et la prévisibilité des décisions humaines prises dans des environnements incertains. Pendant ce séminaire, en m'appuyant sur des résultats récents en psychologie et en neurosciences, je présenterai les rôles respectifs des a priori, mais aussi de ce bruit d'inférence et de la confiance dans l'apprentissage et la prise de décision humaine en situation d'incertitude.

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03 - La perception des objets mathématiques élémentaires : Motifs géométriques et musicaux et leurs mécanismes cérébraux

Le sens de la géométrie pour des formes statiques s'accompagne, dans l'espèce humaine, d'une capacité de percevoir des régularités et notamment des symétries au sein de séquences spatiales et musicales. Une première série d'expériences menées au laboratoire a porté sur la perception des séquences géométriques et musicales : quelles représentations mentales les humains utilisent-ils pour se représenter mentalement des formes aussi simples qu'un zigzag, tel qu'observé sur un coquillage retrouvé à Java et daté de 540 000 ans ou un rectangle comme à Lascaux ? Nos recherches suggèrent qu'un seul et même langage de la pensée, fondé sur la détection récursive de symétries (répétitions avec variations) permet de capturer les intuitions humaines des séquences géométriques et musicales, au moins en ce qui concerne les séquences plus élémentaires. Que ce soit dans la modalité auditive ou visuelle, la mémoire des séquences dépend de leur taux de compression dans le langage de la pensée, autrement dit de leur longueur minimale de description. Grâce à l'imagerie cérébrale, les mécanismes cérébraux de la perception des motifs géométriques et musicaux commencent à être découverts, et leur enrichissement par l'expérience et l'éducation commence à être modélisé.

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Quel code neural pour les représentations mentales ?

Séminaire - James Whittington : How to Build Cognitive Maps

James Whittington

University of Oxford

Résumé

People seem to have an early understanding of the world around them, and the other people in it. Before children can reliably say "ball", "wall", or "Saul", they expect balls to not go through walls, and for Saul to go right for a ball (if there's no wall). There are different proposals out there for the cognitive computations that underlie this basic commonsense reasoning. I'll focus on one proposal in particular, and suggest that a "rough rendering and de-rendering" approach can explain basic expectations about object solidity, cohesion, and permanence. I will also expand the notion of approximations in intuitive physics to more recent work on imagery and imagination, including non-commitment in imagery, and the importance of physical properties in visual pretense.

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02 - La perception des objets mathématiques élémentaires : Formes géométriques, motifs et graphiques : Dessins d'enfants et universaux géométriques : comment les expliquer ?

En complément de l'examen de la diversité transculturelle des signes géométriques, à travers les cultures aussi bien que l'histoire, l'analyse des dessins d'enfants fournit une troisième voie d'accès aux représentations géométriques spontanées de l'espèce humaine. Dès le plus jeune âge, ces dessins, bien que dépourvus de ressemblance stricte avec le modèle qui les inspire, trahissent une pensée abstraite. L'enfant, dit Goodenough, dessine ce qu'il sait et non ce qu'il voit. Comme le note Luquet, l'enfant passe par une phase de « réalisme intellectuel », pendant laquelle ses dessins reproduisent bien les différentes parties d'un objet ou d'un corps ainsi leur syntaxe, mais en les symbolisant par des formes géométriques abstraites.

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Quel code neural pour les représentations mentales ?

Séminaire - Tomer Ullman : How Do Humans Develop a Simplified Model of Objects and Their Physics?

Tomer Ullman, Harvard University

Résumé

People seem to have an early understanding of the world around them, and the other people in it. Before children can reliably say "ball", "wall", or "Saul", they expect balls to not go through walls, and for Saul to go right for a ball (if there's no wall). There are different proposals out there for the cognitive computations that underlie this basic commonsense reasoning. I'll focus on one proposal in particular, and suggest that a "rough rendering and de-rendering" approach can explain basic expectations about object solidity, cohesion, and permanence. I will also expand the notion of approximations in intuitive physics to more recent work on imagery and imagination, including non-commitment in imagery, and the importance of physical properties in visual pretense.