home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #30 / NN_1992_30.iso / spool / bit / listserv / csgl / 1837 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-12-14  |  15.5 KB  |  336 lines

  1. Comments: Gated by NETNEWS@AUVM.AMERICAN.EDU
  2. Path: sparky!uunet!paladin.american.edu!auvm!BEACH.UTMB.EDU!TBOURBON
  3. X-Vmsmail-To: MAILER%"csg-l@vmd.cso.uiuc.edu"
  4. Message-ID: <921214021733.4b4@BEACH.UTMB.EDU>
  5. Newsgroups: bit.listserv.csg-l
  6. Date:         Mon, 14 Dec 1992 02:17:33 -0600
  7. Sender:       "Control Systems Group Network (CSGnet)" <CSG-L@UIUCVMD.BITNET>
  8. From:         Tom Bourbon <TBOURBON@BEACH.UTMB.EDU>
  9. Subject:      Error; Brains; Lesions
  10. Lines: 324
  11.  
  12. From: Tom Bourbon  (921214 01:30 CST)
  13.  
  14. IMPORT THIS DOCUMENT WITH HARD CARRIAGE RETURNS INCLUDED
  15.  
  16.      This is a discussion of simulations I ran to check my
  17. understanding of issues raised in several recent threads on CSG-L:
  18. control systems control error; PCT must "look at the brain" (i.e.,
  19. neuroscience) or die; and deficits in reaching as sequelae of brain
  20. lesions pose a challenge to PCT.  I used the simulations to clarify
  21. my thinking on those issues taken together, not separately.  I do
  22. not refer to specific posts by the various people who contributed
  23. to those threads.  I cannot post graphic output of actual results
  24. of the simulations, each of which includes 1800 data points for
  25. each variable, but I include a stylized rendering in "ASCII
  26. graphics" that in no way misrepresents the results.
  27.  
  28.      In the simulations I used an old (circa 1985) program in which
  29. a single PCT loop models a person who uses a control handle (H) to
  30. keep a cursor (C) and target (T) in a preselected relationship on
  31. a computer screen, the kind of performance PCT modelers refer to as
  32. intentional or purposive action by the person.  Although I fully
  33. comprehend the logic and algebra of the relationships, as they were
  34. posted by Rick Marken, for example, I am more comfortable when I
  35. see them run in simulation.  In all of the simulations I describe
  36. here, the reference signal calls for the cursor to remain even with
  37. the target which moves uniformly up and down on the screen tracing
  38. a triangular wave of vertical position vs time.  In the program,
  39. ref. sig. = [C - T = 0].
  40.  
  41.      I modified the old program so that half way through any given
  42. run, I could introduce a disturbance (d) directly to one of the
  43. three signals in the model:  dr for the reference signal, dp for
  44. the perceptual signal, or de for the error signal.  At the
  45. beginning of all simulations, each d was set to 0.  During a given
  46. simulation, half way through the run, one d assumed a value of +3.
  47.  
  48.      Figure 1 (in ASCII, margins 1", hard returns included) is a
  49. diagram of connections in the model and its simulated environment.
  50. All coefficients are assumed to be 1, except for the "integration
  51. factor," k, which was set to a value estimated from one of my
  52. actual runs on the tracking task.  (Incidentally, the unaltered
  53. model had recreated my run at the familiar correlation > .99)  The
  54. person is modeled as a single control loop, controlling the
  55. perceived spatial relationship between C and T.
  56.  
  57. ************************************************************
  58.  
  59. Figure 1:  A person modeled as a relationship-level control system,
  60. using a single control handle (H) to affect the position of a
  61. single cursor (C) relative to a target (T) during pursuit tracking.
  62. In the model are three functions (c = comparator, i = input
  63. function, o = output function) and three signals (r = reference
  64. signal, p = perceptual signal, e = error signal).  Also in the
  65. model are three possible disturbances, one for each signal (dr =
  66. disturbance to r, de = disturbance to e, dp = disturbance to p).
  67. Each d adds to its respective signal and the sum conducts
  68. downstream to the next function.  In the simulated data that
  69. accompany this text, all three disturbances are initialized to 0.
  70. In the environment are two independent disturbances, one acting on
  71. the cursor (dC), one on the target (dT).  For the present examples,
  72. dC = 0, and dT is a triangular function of time shown in Figure 2.
  73.  
  74.  
  75.                                 ref. sig. (r) [C - T]
  76.                                    |
  77.                                    |<------dr
  78.                                    |
  79.                                    | r + dr
  80.                                 __\|/__
  81.                     p + dp     |       |   error sig. (p - r)
  82.              .---------------->|   c   |--------------.
  83.              |                 |_______|              |
  84.    dp------->|                                        |<------de
  85.              |                                        |
  86.              | percept. sig. (p) [C - T]              | e + de
  87.           ___|___                                  __\|/__
  88.          |       |                                |       |
  89.          |   i   |                                |   o   |
  90.          |_______|                                |_______|
  91.           /|\ /|\                                     |
  92.            |   |       _______          _______       | -k*(e+de)
  93.            |   |      |       |        |       |      |
  94.            |   |------|   C   |<-------|   H   |<-----|
  95.            |          |_______|        |_______|
  96.            |             /|\
  97.         ___|___           |
  98.        |       |          |
  99.        |   T   |          dC
  100.        |_______|
  101.           /|\
  102.            |
  103.            |
  104.            dT
  105.  
  106. *********************************************************
  107.  
  108.      In the computer program (written in Turbo Pascal 3.01) the
  109. following two steps implement the unmodified model used in the
  110. first half of each simulation:
  111.  
  112. H := H - [k * (p - r)]
  113. C := H + dC
  114.  
  115. where
  116.  
  117. p := C - T
  118. r := [(C - T) = 0]
  119. e := p - r.
  120.  
  121. Half way through the simulation, a disturbance is added to one of
  122. the signals as a constant.  The d remains in effect through the
  123. remainder of the run.  The following program steps implemented the
  124. disturbances:
  125.  
  126.      For the reference signal:  r := r + dr.
  127.      For the error signal:  e := e + de.
  128.      For the perceptual signal:  p := p + dp.
  129.  
  130. In every case, d = + 3.
  131.  
  132. CASE 1:  Disturbance to the reference signal.  The stylized results
  133. are shown in Figure 2.
  134.  
  135. **********************************************************
  136.  
  137. Figure 2.  Stylized ASCII representation of simulation of pursuit
  138. tracking by a single PCT model when the reference signal was
  139. disturbed during the second half of the simulation.  The top half
  140. of the figure shows vertical positions of the target (T) and cursor
  141. (C) on the computer screen at successive times (up = toward the top
  142. of the screen); the bottom half, displacements of the control
  143. handle (H) at successive times (up = away from the simulated
  144. person).  During the first half of the simulation, C = T; during
  145. the second half, C = T +3, or C - T = +3.  The position of C
  146. relative to T is explained in the accompanying text.
  147.  
  148.  
  149.                              C---->/\        /\
  150.                /\        /\       //\\      //\\
  151.     T & C---->/  \      /  \     //  \\    //  \\
  152.              /    \    /    \   //    \\  //    \\
  153.             /      \  /      \ //      \\//      \\
  154.            /        \/        \/  T---->\/        \
  155.  
  156.  
  157.  
  158.                                    /\        /\
  159.                /\        /\       /  \      /  \
  160.       H------>/  \      /  \     /    \    /    \
  161.              /    \    /    \   /      \  /      \
  162.             /      \  /      \ /        \/        \
  163.            /        \/        \
  164.  
  165.  
  166.   Time ----------------------------------------------->
  167.  
  168.  
  169. ********************************************************
  170.  
  171.      For the first half of the simulation, r = [(C - T) = 0], and
  172. the model maintained that relationship.  At mid-run, dr = +3.  The
  173. effective reference signal at the comparator became  (C - T = +3).
  174. The model achieved that result -- the handle shifted to a range of
  175. movement centered three equivalent screen units above the middle of
  176. its range and the cursor moved to and remained at a position three
  177. screen units above the moving target:  C = T + 3, or C - T = +3.
  178.  
  179.  
  180. CASE 2:  Disturbance to the error signal.  The stylized results are
  181. shown in Figure 3.
  182.  
  183. **********************************************************
  184.  
  185. Figure 3.  Stylized ASCII representation of simulations of Case 2
  186. and Case 3, pursuit tracking by a single PCT model when either the
  187. error signal, or the perceptual signal, respectively, was disturbed
  188. during the second half of the simulation.  The top half of the
  189. figure shows vertical positions of the target (T) and cursor (C) on
  190. the computer screen at successive times (up = toward the top of the
  191. screen); the bottom half, displacements of the control handle (H)
  192. at successive times (up = away from the simulated person).  During
  193. the first half of the simulation, C = T; during the second half,
  194. C = T - 3.  The position of C relative to T is explained in the
  195. accompanying text.
  196.  
  197.  
  198.  
  199.                /\        /\   T--->/\        /\
  200.     T & C---->/  \      /  \      //\\      //\\
  201.              /    \    /    \    //  \\    //  \\
  202.             /      \  /      \  //    \\  //    \\
  203.            /        \/        \//      \\//      \\
  204.                                /  C---->\/        \
  205.  
  206.  
  207.  
  208.                /\        /\
  209.       H------>/  \      /  \       /\        /\
  210.              /    \    /    \     /  \      /  \
  211.             /      \  /      \   /    \    /    \
  212.            /        \/        \ /      \  /      \
  213.                                /        \/        \
  214.  
  215.   Time ----------------------------------------------->
  216.  
  217.  
  218. ********************************************************
  219.  
  220.  
  221.      With de = +3, the effective error signal is e + 3.  When the
  222. product of k*(e + de) is subtracted from the former position of the
  223. handle, the handle moves three units lower in its range of movement
  224. and the cursor is at C = T - 3, or C - T = -3.  The perceptual
  225. signal, p, becomes -3.  (This model treats the entire person as a
  226. relationship controller, so the output of the input function is the
  227. perceived relationship, [C - T].)  The reference signal remains
  228. [C - T = 0], so coming out of the comparator, the error signal is,
  229. p - r = -3 - 0, or, e = -3.  When de is added to e, farther down
  230. stream, the effective error signal into the output function
  231. becomes: e + de = -3 + 3 = 0, and the system no longer changes the
  232. relationship between C and T.  In this case, e + de has become a
  233. virtual reference signal that leads to exactly the same results in
  234. the ENVIRONMENT as would be produced by changing the reference
  235. signal to [C - T = -3], an effect that would also be produced by
  236. disturbing the reference signal with dr = -3.  However, with regard
  237. to the perceptual signal INSIDE the model, dr and de lead to
  238. different results.  When dr is applied, p = r; when  de is applied,
  239. p = r -de, and the perceived relationship [C - T] is NOT as
  240. specified in the reference signal.  More on this later.
  241.  
  242. CASE 3:  Disturbance to the perceptual signal.  The stylized
  243. results are also shown in Figure 3.
  244.  
  245.      The effective perceptual signal into the comparator is p + 3,
  246. therefore, e = p - r = +3 - 0 = +3.  When the product of k*e is
  247. subtracted from the former position of the handle, the handle moves
  248. three units lower in its range and the cursor is at C = T - 3, or
  249. C - T = -3.  Coming out of the input function, the perceptual
  250. signal, p, becomes -3.  The disturbed perceptual signal is:
  251. p + dp = -3 + 3 = 0.  Now p = r, or (p - r = 0), the relationship
  252. specified in the reference signal.  The system has eliminated the
  253. effect of dp on p, going into the comparator, but the relationship
  254. between C and T on the screen is not the same as it would be were
  255. there no disturbance on the perceptual signal.
  256.  
  257. A BRIEF DISCUSSION
  258.  
  259.      I knew the three disturbances should have DIFFERENT effects on
  260. signals and their relations INSIDE the model, but I did not expect
  261. that all three would have either SIMILAR or IDENTICAL effects on
  262. variables OUTSIDE the control system.  An observer, builder, or
  263. user of control systems could easily observe results in the
  264. environment and conclude there were no differences between the
  265. "treatments" or the effects of the three disturbances.  Inside the
  266. model, that is not true.
  267.  
  268.      Another surprise was that, if de = +3, then p - r = -3.  The
  269. system never brings the perceived relationship to the value
  270. specified in the "real" reference signal.  Would that happen in
  271. anything but a single-loop system?  Andy Papanicolaou and I
  272. discussed this result and concluded that any system that performed
  273. this way with regard to any critical variable would not survive.
  274. In hierarchical systems with a level above the relationship level,
  275. changes should ensue -- in the error signal from above that sets
  276. the reference signal for relationships; or in the output gain of
  277. the system (k), perhaps via a reorganizing loop that randomly
  278. tinkers with gain.  There may be other possibilities.
  279.  
  280.      As for whether PCT must "look at the brain" (i.e.,
  281. neuroscience) or die, the reverse seems true.  Simulations like the
  282. ones here ought to provide grist for neurophysiologists.  For
  283. example, what would be the results if someone were to study a
  284. "simple" laboratory preparation, with Aplysia the marine snail for
  285. example, while at least provisionally adopting the idea that the
  286. creature controls the sensed states of certain variables.  In such
  287. a preparation, after the experimenter confirmed that the creature
  288. controls ANY variables, all of the disturbances I described here
  289. could be applied to precisely-mapped neurons and the results
  290. observed.  With the results of the PCT simulations as exact
  291. quantitative predictions, the PCT model would be subjected to the
  292. most rigorous of tests, and neuroscience might benefit from a model
  293. intended to explain how organisms purposefully create and maintain
  294. perceptions.
  295.  
  296.      On the question of whether deficits in reaching, as sequelae
  297. of brain lesions, pose a challenge to PCT, I will depart from my
  298. stated plan of not mentioning sources from the net.  Gary Cziko
  299. raised the question in a brief account of an interesting clinical
  300. case, and Mark Olson rushed to offer the example as evidence that
  301. PCT must "look at the brain."  I think the reverse is true; brain
  302. science must look at PCT.  In my simulations, all three
  303. disturbances led to the cursor missing the target "by a little
  304. bit:"  In one case, it went beyond the target; in two others, it
  305. "fell just short," a result that sounds a bit like the clinical
  306. report Gary cited.  The clinical "deficit" seemed to have something
  307. to do with "mistakes" in controlling relationships.  Did anyone ask
  308. the man if things looked alright when (outwardly -- where
  309. clinicians and other observers reside) he ended up in the wrong
  310. place?  Wouldn't it be interesting if he said, "yes!"
  311.  
  312.      Did the man's lesions alter or disturb a reference signal,
  313. making it negative compared to what it was before?  Did the lesions
  314. add positive disturbance to an error signal or a perceptual signal?
  315. Did the lesions destroy one of the functions in a control system,
  316. or modify its workings, or disturb or disrupt a path carrying one
  317. of the signals in a control system?  Knowing that a lesion was in
  318. some general part of the brain, and that outward appearances of the
  319. person's behavior changed, tells us nothing specific about the
  320. reasons for the changes; but the process of modeling and simulating
  321. the control of relationships raises some possible explanations
  322. that, to my knowledge, neuroscientists and neuropsychologists have
  323. not considered.  Until research and theory in the neurosciences
  324. catch up with the science of control by living systems, "looking at
  325. the brain," or looking to the neurosciences, for evidence that will
  326. change the nature of the model in PCT, probably will not be
  327. necessary or fruitful.
  328.  
  329. Until later,
  330.  
  331. Tom Bourbon                             e-mail:
  332. Magnetoencephalography Laboratory       TBOURBON@UTMBEACH.BITNET
  333. Division of Neurosurgery, E-17          TBOURBON@BEACH.UTMB.EDU
  334. University of Texas Medical Branch      PHONE  (409) 763-6325
  335. Galveston, TX 77550                     FAX    (409) 762-9961 USA
  336.