Mathematical modeling of cognitive processes with applications in neuroscience and robotics

Abstract

Evolution has shaped living beings equipping them with a set of cognitive abilities to perceive the external world in an abstract way, in order to survive in their specific environments and hence perpetuate the species. In particular, the nervous system and, ultimately, the brain have been developed to provide animals and humans with the capability of interacting with complex time-changing environments by allowing them to make sophisticated decisions in real time. This ability is paramount for survival but, paradoxically, the neural mechanisms and functional processes supporting it are poorly understood. This thesis proposes the mathematical modeling of essential cognitive mechanisms that allow an individual to understand different time-changing situations to interact with them in an optimal, versatile, and robust way. Following a bottom-up approach, the content of the presentwork pursues two main aims. First, we deal with the issue of Imitation, a preeminent form of learning commonly used by children and adults, and also observed in many species. It enables the transfer of information between down generations without the need for geneticin heritance...

A lo largo de su evolución los seres vivos han ido adquiriendo un conjunto de habilidades cognitivas que les permite percibir el mundo externo de una manera abstracta, con el propósito de sobrevivir en entornos específicos y perpetuar la especie. En particular, el sistema nervioso y en última instancia el cerebro se han desarrollado para que animales y humanos sean capaces de interactuar con entornos dinámicos complejos y puedan así tomar decisiones precisas en tiempo real. Esta capacidad es primordial para la supervivencia pero, paradójicamente, los mecanismos neuronales y procesos funcionales involucrados son todavía una incógnita. Esta tesis propone la modelización matemática de procesos cognitivos esenciales que permiten a un individuo comprender diferentes situaciones dinámicas para interactuar con el entorno de una manera óptima, versátil y robusta. El contenido de este trabajo persigue dos objetivos principales. Primero abordaremos el tema de la imitación, una forma preeminente de aprendizaje comúnmente utilizada por niños y adultos y presente también en muchas especies.