Social and cognitive constraints on the evolution of culturally transmitted variants: Models, experiments and theory

Abstract

Les convencions culturals compartides en una població emergeixen com a conseqüència de la interacció entre la cognició dels individus i l'estructura de la societat. L'espècie humana, més que cap altra en el regne animal, és capaç d'aprendre i transmetre vastes quantitats d'informació mitjançant el llenguatge i altres productes culturals. A més, els humans tenen una extraordinària capacitat per construir nínxols socials que poden ser modelats com a sistemes complexos. Les societats humanes estan organitzades per l'estructura de les xarxes socials i per altres entitats jeràrquiques super-estructurals que constitueixen sistemes integrats de regles que estructuren les interaccions socials (e.g. institucions). En aquesta tesi formalitzaré algunes de les relacions entre aquests factors usant diversos mètodes. En particular, exploraré les següents preguntes d'investigació:

(1) Com afecten les interaccions entre els trets cognitius individuals i les dinàmiques temporals de connectivitat d'una xarxa social (i.e. l'ordre en què els individus d'una població interaccionen entre si) a la disseminació de variants culturals?

(2) Com afecten les interaccions entre els trets cognitius individuals i les institucions a l'evolució de la diversitat cultural i l'emergència de convencions culturals?

(3) Com els models d'aprenentatge iteratiu, la construcció de nínxol i la biologia evolutiva el desenvolupament poden ser sintetitzats en un marc compatible per a l'evolució de l'llenguatge?

El cap. 1 conté una revisió literària i una introducció a les assumpcions que sostenen els models de la tesi. Al cap. 2, presento un model d'agents en el qual manipulo dinàmiques específiques de connectivitat, biaixos cognitius i memòria. Els resultats mostren que la connectivitat afecta les dinàmiques de disseminació de variants: una menor connectivitat retarda la convergència en convencions compartides. També mostro que, a l'comparés amb un model evolutiu neutre, un biaix de contingut (i.e. preferència per variants amb alt valor) és la major força produint convergència i amplifica els efectes de la connectivitat. La mida de la memòria i el biaix de coordinació (especialment el biaix egocèntric) retarden la convergència. Al cap. 3, comunico un experiment de laboratori que té dos objectius: primer, avaluar l'efecte de dues dinàmiques de connectivitat (primerenca i tardana) en l'evolució de la convergència de la població en convencions comunicatives; segon, comparar les prediccions de el model d'agents descrit en el cap. 2 amb les dades experimentals, i calibrar el model per trobar el millor ajust de paràmetres. Els resultats mostren que, tal com prediu el model, una connectivitat primerenca augmenta la convergència i una tardana la retarda. Els capítols 4 i 5 exploren la coevolució de sistemes de valors i institucions mitjançant la incorporació, en els algoritmes d'aprenentatge i producció, d'un conjunt de paràmetres que inclou biaixos conformitat (obediència), confirmació, contingut i freqüència. Els resultats mostren que, en general, el poder institucional facilita la formació de convencions culturals quan el conformisme amb els valors institucionals augmenta. En general, aquest conformisme augmenta la diversitat si les institucions són diverses i redueix la diversitat si les institucions transmeten sistemes de valors amb variants altament dominants. En algunes regions, les convencions globals emergeixen en l'absència de poder institucional i per tant d'institucions que guien el procés de convergència. Al cap. 6, ús el concepte de construcció de nínxol per estendre ponts entre explicacions cognitives d'eco-evo-devo i processos d'aprenentatge iteratiu. Proposo a més un model conceptual que pot ser útil com a marc generador d'hipòtesis al voltant de el qual investigadors en cognició puguin estructurar nous models formals de triple herència.

Las convenciones culturales compartidas en una población emergen como consecuencia de la interacción entre la cognición de los individuos y la estructura de la sociedad. La especie humana, más que ninguna otra en el reino animal, es capaz de aprender y transmitir vastas cantidades de información mediante el lenguaje y otros productos culturales. Además, los humanos tienen una extraordinaria capacidad para construir nichos sociales que pueden ser modelados como sistemas complejos. Las sociedades humanas están organizadas por la estructura de las redes sociales y por otras entidades jerárquicas super-estructurales que constituyen sistemas integrados de reglas que estructuran las interacciones sociales (e.g. instituciones). En esta tesis formalizo algunas de las relaciones entre estos factores usando varios métodos. En particular, exploraré las siguientes preguntas de investigación:

(1) ¿Cómo afectan las interacciones entre los rasgos cognitivos individuales y las dinámicas temporales de conectividad de una red social (i.e. el orden en que los individuos de una población interaccionan entre sí) a la diseminación de variantes culturales?

(2) ¿Cómo afectan las interacciones entre los rasgos cognitivos individuales y las instituciones a la evolución de la diversidad cultural y la emergencia de convenciones culturales?

(3) ¿Cómo los modelos de aprendizaje iterativo, la construcción de nicho y la biología evolutiva del desarrollo pueden ser sintetizados en un marco compatible para la evolución del lenguaje?

El cap. 1 contiene una revisión literaria y una introducción a las asunciones que sostienen los modelos de la tesis. En el cap. 2, presento un modelo de agentes en el que manipulo dinámicas específicas de conectividad, sesgos cognitivos y memoria. Los resultados muestran que la conectividad afecta las dinámicas de diseminación de variantes: una menor conectividad retrasa la convergencia en convenciones compartidas. También muestro que, al comparase con un modelo evolutivo neutro, un sesgo de contenido (i.e. preferencia por variantes con alto valor) es la mayor fuerza produciendo convergencia y amplifica los efectos de la conectividad. El tamaño de la memoria y el sesgo de coordinación (especialmente el sesgo egocéntrico) retrasan la convergencia. En el cap. 3, comunico un experimento de laboratorio que tiene dos objetivos: primero, evaluar el efecto de dos dinámicas de conectividad (temprana y tardía) en la evolución de la convergencia de la población en convenciones comunicativas; segundo, comparar las predicciones del modelo de agentes descrito en el cap. 2 con los datos experimentales, y calibrar el modelo para encontrar el mejor ajuste de parámetros. Los resultados muestran que, tal y como predice el modelo, una conectividad temprana aumenta la convergencia y una tardía la retrasa. Los capítulos 4 y 5 exploran la coevolución de sistemas de valores e instituciones mediante la incorporación, en los algoritmos de aprendizaje y producción, de un conjunto de parámetros que incluye sesgos conformidad (obediencia), confirmación, contenido y frecuencia. Los resultados muestran que, en general, el poder institucional facilita la formación de convenciones culturales cuando el conformismo con los valores institucionales aumenta. En general, este conformismo aumenta la diversidad si las instituciones son diversas y reduce la diversidad si las instituciones transmiten sistemas de valores con variantes altamente dominantes. En algunas regiones, las convenciones globales emergen en la ausencia de poder institucional y por lo tanto de instituciones que guíen el proceso de convergencia. En el cap. 6, uso el concepto de construcción de nicho para tender puentes entre explicaciones cognitivas de eco-evo-devo y procesos de aprendizaje iterativo. Propongo además un modelo conceptual que puede ser útil como marco generador de hipótesis alrededor del cual investigadores en cognición puedan estructurar nuevos modelos formales de triple herencia.

The emergence of shared cultural conventions in a population is shaped by the interaction between individuals' cognition and the structure of the society. Humans, more than any other species in the animal kingdom, are able to learn and transmit vast amounts of information, through language and other cultural products. Individual cognitive constraints include cognitive biases, value systems and memory among others. Additionally, humans have an extraordinary capacity to construct social niches that can be modelled as complex systems. Societies are shaped by the structure of the social network and other high-level hierarchical entities that constitute integrated systems of rules that structure social interactions (e.g. institutions). In this thesis I formalise some of the relationships between these factors using a variety of approaches. In particular, I explore the following three main research questions:

(1) How do the interactions between individual cognitive traits and the temporal dynamics of social network connectivity, i.e the order in which individuals in a population interact with each other, affect the spread of cultural variants?

(2) How do the interactions between individual cognitive traits and institutions affect the evolution of cultural diversity and the emergence of cultural conventions?

(3) How might current iterated learning models, niche construction and evolutionary developmental biology be synthesised into a compatible framework for language evolution?

Ch. 1 contains a review of the literature and an introduction to the assumptions underlying the models presented in this thesis. In Ch. 2, I present an agent-based model manipulating specific network connectivity dynamics, cognitive biases and memory. I show that connectivity dynamics affect the time-course of variant spread, with lower connectivity slowing down convergence of the population onto a single cultural variant. I also show that, compared to a neutral evolutionary model, content bias (i.e. a preference for variants with high value) is the main driver of convergence and amplifies the effects of connectivity dynamics, whilst larger memory size and coordination bias, especially egocentric bias, slow down convergence. In Ch. 3, I report an experiment in the lab which has two main goals: First, to evaluate the effect of two connectivity dynamics (early and late) on the evolution of the convergence of micro-societies on shared communicative conventions under controlled conditions. Second, to compare the predictions of the agent-based model described in Ch. 2 against experimental data, and calibrate the model to find the best-fitting parameter setting. Results show that, as predicted by the model, an early connectivity dynamic increases convergence and a late connectivity dynamic slows down convergence. Expanding on the agent-based model, Chs. 4 and 5 explore the co-evolution of value systems and institutions by incorporating a comprehensive parameter combination of compliance, confirmation, content and frequency biases into the learning and production algorithm. Results show that, in general, institutional power facilitates the emergence of cultural conventions when compliance biases increase. In general, a compliance bias pushes diversity up when institutions are diverse, and pushes diversity down when institutions convey value systems with strong dominance of one or few cultural variants. In some regions of the parameter space, global conventions can also emerge in the absence of institutional power and therefore of institutions that are in place to guide convergence. In Ch. 6, I use the concept of niche construction to build bridges between eco-evo-devo accounts for cognitive capacities and cultural evolution guided by iterated learning processes. I propose a conceptual model that might be useful to act as a hypothesis-generating framework around which cognitive scientists can structure new triple-inheritance formal models.