Levels, decomposition and mechanistic explanation in biological systems: the case of cognitive science

Abstract

Few phenomena are as intriguing and enigmatic as the ones that constitute mentality, and investigating them as behaviors of biological organisms (humans, in this case) poses an enormous challenge for the sciences of the mind. These sciences, collectively known as cognitive science, form an umbrella that embraces the study of mental phenomena. It is in this field that the idea for the new-mechanistic model of explanation tests its limits, as it must not only tame the explanatory complexity of biology but also delve deep into the mysteries of the mind. It is into these deep intellectual waters that the present dissertation descends. This inquiry targets various interconnected issues: Can the new-mechanistic explanatory framework be extended to explain mental phenomena? How can we reconcile the diverse concepts of levels encountered in cognitive science with mechanistic levels? What role does decomposition play in explaining biological and mental phenomena, primarily as an analytical tool and also as an integral part of the mechanistic explanatory schema? Can mechanistic explanatory models incorporate the informational and representational aspects of cognitive processes? Ultimately, can the gap between psychological and neurobiological approaches to cognition be bridged with the aid of the mechanistic explanatory framework? The research unfolds across various stages, progressing from the general to the specific. This gradual specialization is reflected in the two parts of the study, the sequence of chapters, and their internal structure. The research methodologies employed to address these questions approach the subject matter from multiple angles. The study begins with conceptual mapping and analysis of the two fundamental components that constitute the research axis of the dissertation. These are the concepts of levels and decomposition, which are examined in the first two chapters. The subsequent two chapters present a comparative analysis of two explanatory models: Carl Gillett's (2016) compositional explanations and Carl Craver's (2007) new-mechanistic explanatory framework, which focuses on neuroscience, with an emphasis on constitutive explanations. These models are closely related, as they both emphasize the role of recursive decomposition leading to a hierarchy of multiple explanatory levels. These two chapters are framed by two extensive case studies. The first, presented in the third chapter, concerns compositional explanations of the bending mechanism of the knee and the physiology of muscle contraction. The second, detailed in the fourth chapter, explores the constitutive mechanistic explanation of neurobiological mechanisms of spatial memory development in mice. While the first part lays the groundwork for mechanistic explanation by initially examining levels, decomposition, and biological complexity, the second part delves into the deep waters of applying mechanistic explanations to mental phenomena. It begins by analyzing their distinctive character, which stems from information processing and intentionality -the capacity for internal representation of the world and the attribution of meaning to it. A comparative study is conducted to investigate the compatibility of levels used in cognitive science explanations with mechanistic explanatory levels, using visual recognition of an apple as a case study. The fifth chapter concludes with a negative assessment regarding levels, constituting the first major challenge to the applicability of mechanistic explanation to mental phenomena. The final chapter presents a comparative and critical discussion on the possibility of unifying psychological and mechanistic models into a common explanatory framework, highlighting the problems that arise in such an endeavor. The concept of decomposition is then revisited as an analytical tool for constructing psychological explanatory models, examined in the case of the internal visual representation of a horse. Finally, it highlights the issues that emerge when applying this to physical (neurobiological) and mental (concerning informational and representational content) entities. The chapter and the dissertation conclude with a proposal for reconciliation between psychological and neurobiological explanatory models. In this proposal, psychological models play a central role, with mechanistic explanations subsumed within them as a hierarchy of explanatory mechanisms extending across many lower levels. Each hierarchy of mechanisms implements a specific explanatory level of the psychological model, without a one-to-one correspondence between neurological and psychological elements that recursively extends to all lower levels. Concluding the study, while mechanistic explanations offer valuable insights for understanding mental phenomena, they require significant modifications to fully capture their unique characteristics. The proposed framework suggests a way to integrate psychological and neurobiological approaches to cognition without reductionism, adopting a form of interpretive pluralism that respects the autonomy of different levels and aspects of explanation while illuminating their interconnections.

Λίγα φαινόμενα είναι τόσο ενδιαφέροντα και τόσο δισεπίλυτα όσο αυτό της νοητικότητας και η διερεύνησή του ως συμπεριφορά βιολογικών οργανισμών (ανθρώπων, εν προκειμένω) αποτελεί μια τεράστια πρόκληση για τις επιστήμες του νου, που ως μια ομπρέλα που αγκαλιάζει την έρευνα των νοητικών φαινομένων συνιστούν την γνωσιακή επιστήμη. Σε αυτό το πεδίο είναι που η πρόταση για το νέο-μηχανιστικό μοντέλο εξήγησης δοκιμάζει τα όριά της, καθώς δεν έχει μόνο να δαμάσει εξηγητικά την βιολογική πολυπλοκότητα, αλλά και να κατανοήσει σε βάθος τα μυστικά του νου. Σε αυτά τα βαθιά ερευνητικά νερά καταδύεται η παρούσα διατριβή. Η μελέτη βάζει στο στόχαστρο διάφορα αλληλένδετα ζητήματα: Μπορεί το νέο-μηχανιστικό εξηγητικό πλαίσιο να επεκταθεί στην εξήγηση των νοητικών φαινομένων; Πώς μπορούμε να συμφιλιώσουμε τις διάφορες έννοιες των επιπέδων που συναντούμε στη γνωσιακή επιστήμη με τα μηχανιστικά επίπεδα; Ποιος είναι ο ρόλος της αποσύνθεσης στην εξήγηση βιολογικών και νοητικών φαινομένων, πρώτα από όλα ως αναλυτικό εργαλείο και επίσης ως αναπόσπαστο τμήμα του μηχανιστικού εξηγητικού σχήματος; Μπορούν τα μηχανιστικά εξηγητικά μοντέλα να ενσωματώσουν τις πληροφοριακές και αναπαραστασιακές πτυχές των νοητικών διεργασιών; Μπορεί, εν τέλει, να γεφυρωθεί το χάσμα μεταξύ ψυχολογικών και νευροβιολογικών προσεγγίσεων της νόησης με την βοήθεια του μηχανιστικού πλαισίου εξήγησης; Η έρευνα ξετυλίγεται σε διάφορα στάδια ξεκινώντας από το γενικότερο και καταλήγοντας στο ειδικότερο. Αυτή η σταδιακή εξειδίκευση αντανακλάται στα δύο μέρη της έρευνας, στην σειρά των κεφαλαίων και στην εσωτερική τους διάρθρωση. Οι ερευνητικές μεθοδολογίες που επιστρατεύτηκαν για να απαντηθούν όλα τα προαναφερθέντα ερωτήματα προσέγγισαν το ζητούμενο από διάφορες πλευρές. Η έρευνα ξεκινά με εννοιολογική χαρτογράφηση και ανάλυση των δύο βασικών συνιστωσών που συγκροτούν τον ερευνητικό άξονα της διατριβής. Αυτές είναι η έννοια των επιπέδων και της αποσύνθεσης και μελετώνται στα δύο πρώτα κεφάλαια. Στα επόμενα δύο κεφάλαια ακολουθεί η συγκριτική παρουσίαση δύο εξηγητικών μοντέλων: των συστατικών εξηγήσεων (compositional explanations) του Carl Gillett (2016) και του νέο-μηχανιστικού εξηγητικού πλαισίου με έμφαση στις συγκροτητικές (constitutive) εξηγήσεις του Carl Craver (2007), που εστιάζει στις νευροεπιστήμες. Τα μοντέλα συνδέονται στενά, γιατί δίνουν σημασία στον ρόλο της αναδρομικής (recursive) αποσύνθεσης που οδηγεί σε μια ιεραρχία πολλών εξηγητικών επιπέδων. Τα δύο αυτά κεφάλαια πλαισιώνονται με δύο εκτεταμένες μελέτες περίπτωσης που αφορούν συστατικές εξηγήσεις του καμπτικού μηχανισμού του αγκώνα και της φυσιολογίας της μυϊκής σύστολής (στο τρίτο κεφάλαιο) και στην παρουσίαση της συγκροτητικής μηχανιστικής εξήγησης στους νευροβιολογικούς μηχανισμούς ανάπτυξης χωρικής μνήμης σε ποντίκια (στο τέταρτο). Ενώ το πρώτο μέρος στρώνει το έδαφος για τη μηχανιστική εξήγηση, εξετάζοντας αρχικά τα επίπεδα, την αποσύνθεση και τη βιολογική πολυπλοκότητα, το δεύτερο μέρος μπαίνει στα βαθιά νερά της εφαρμογής των μηχανιστικών εξηγήσεων στα νοητικά φαινόμενα. Αρχικά, αναλύεται ο ιδιαίτερος χαρακτήρας τους που οφείλεται στην επεξεργασία πληροφορίας και την προθετικότητα, δηλαδή την ικανότητα εσωτερικής αναπαράστασης του κόσμου και την νοηματοδότηση της αλληλεπίδρασης με αυτόν. Εφαρμόζεται συγκριτική μελέτη ώστε να διερευνηθεί η συμβατότητα των επιπέδων που χρησιμοποιούνται στις εξηγήσεις εντός της γνωσιακής επιστήμης με τα μηχανιστικά εξηγητικά επίπεδα και παρουσιάζεται ως μελέτη περίπτωσης η οπτική αναγνώριση ενός μήλου. Το πέμπτο κεφάλαιο καταλήγει σε μια αρνητική αποτίμηση σε σχέση με τα επίπεδα, που συνιστά και την πρώτη μεγάλη πρόκληση της εφαρμοσιμότητας της μηχανιστικής εξήγησης στα νοητικά φαινόμενα. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζεται συγκριτικά και κριτικά η συζήτηση περί δυνατότητας ενοποίησης ψυχολογικών και μηχανιστικών μοντέλων σε ένα κοινό εξηγητικό μοντέλο και αναδεικνύονται τα προβλήματα που προκύπτουν σε μια τέτοια περίπτωση. Στην συνέχεια επανέρχεται στην συζήτηση η έννοια της αποσύνθεσης ως αναλυτικό εργαλείο για την κατασκευή ψυχολογικών εξηγητικών μοντέλων, μελετάται στην περίπτωση της εσωτερικής οπτικής αναπαράστασης ενός αλόγου και τέλος, αναδεικνύονται τα προβλήματα που προκύπτουν από την εφαρμογή της σε φυσικές (νευροβιολογικές) και νοητικές (που αφορούν σε πληροφοριακό και αναπαραστασιακό περιεχόμενο) οντότητες. Το κεφάλαιο, και η διατριβή, καταλήγει με μια πρόταση συμφιλίωσης μεταξύ των ψυχολογικών και νευροβιολογικών εξηγητικών μοντέλων όπου κεντρικό ρόλο παίζουν τα ψυχολογικά μοντέλα και οι μηχανιστικές εξηγήσεις υπάγονται σε αυτά ως μια ιεραρχία εξηγητικών μηχανισμών που εκτείνονται σε πολλά, χαμηλότερα, επίπεδα και κάθε ιεραρχία μηχανισμών υλοποιεί ένα συγκεκριμένο επίπεδο εξήγησης του ψυχολογικού μοντέλου, χωρίς να υπάρχει μια 1:1 αντιστοίχιση μεταξύ νευρολογικών και ψυχολογικών στοιχείων που να εκτείνεται, αναδρομικά εφαρμοζόμενη, σε όλα τα κατώτερα επίπεδα. Εν κατακλείδι, ενώ οι μηχανιστικές εξηγήσεις προσφέρουν πολύτιμες γνώσεις για την κατανόηση των νοητικών φαινομένων, χρειάζονται σημαντικές τροποποιήσεις για να συλλάβουν πλήρως τα μοναδικά χαρακτηριστικά τους. Το προτεινόμενο πλαίσιο υποδεικνύει έναν τρόπο ενσωμάτωσης ψυχολογικών και νευροβιολογικών προσεγγίσεων της νόησης χωρίς αναγωγισμό, υιοθετώντας μια μορφή ερμηνευτικού πλουραλισμού που σέβεται την αυτονομία διαφορετικών επιπέδων και πτυχών εξήγησης, ενώ παράλληλα διαφωτίζει τις διασυνδέσεις τους.