导语
什么是意识？意识能否度量？机器能否产生意识？如果我们相信意识是大脑神经活动的涌现结果，那么理解什么是涌现便成为理解意识过程的一个重要环节。因果涌现理论（Causal Emerngece）为定量刻画涌现提供了一套框架。因果涌现理论目前发展出两个派别：一个是 Erik Hoel 的有效信息因果涌现框架，另一个即是 Fernando Rosas 的信息分解（Partial Information Decomposition，简称PID）框架。
此次「」第一期，集智俱乐部邀请到信息分解框架提出者、萨塞克斯大学（University of Sussex）讲师 Fernando E. Rosas 分享他关于用计算方法量化涌现现象的新工作。读书会将于北京时间4月19日晚18:00-20:00，英国时间4月19日中午11:00-13:00线上公开进行，欢迎感兴趣的朋友参与讨论交流！
背景介绍
2014年，计算神经科学家 Erik Hoel 提出了因果涌现理论，该理论不仅对什么是涌现，以及涌现的因果给出了定量化描述，而且还有望为回答为什么会有生命，什么是意识，以及什么是自由意志（Free will）等哲学问题奠定科学基础。（参看《》）
2020年，当时在伦敦帝国理工学院复杂系统中心的 Fernado E. Rosas 等人又从信息分解的角度重新量化了因果涌现的概念，使得它更加定量化、数学化，与长久发展的信息论建立了深刻的联系，而且大大拓宽了该理论的应用领域。这里信息分解是对香农互信息（Mutual Information）进行进一步拆分，用协同、冗余和特有（Synergy, Redundency, Unique）这三种度量尝试刻画多变量系统的复杂关系。（参看《》）更进一步，Rosas 基于信息分解理论又提出融合了整合信息论的信息分解框架 ΦID，并基于此尝试构建新的意识理论。（参看《》）
此次读书会我们邀请到了萨塞克斯大学（University of Sussex）脑科学研究中心和复杂科学中心的 Fernando E. Rosas 分享他关于用计算方法量化涌现现象的新工作。
内容简介
Title: Towards a computational operationalisation of emergent phenomena
Abstract：Emergence is one of the most fascinating and challenging aspects of complex systems in general and neural systems in particular, which let them feature unique properties at different spatio-temporal scales. While previous work has successfully developed tools to identify when emergent phenomena take place, they are limited in the degree they can specify how this happens. This talk introduces various formalisations of emergence, and put forward a theory that explains emergent phenomena in terms of their computational capabilities.
参考文献
[1] Rosas, F. E., Mediano, P. A., Jensen, H. J., Seth, A. K., Barrett, A. B., Carhart-Harris, R. L., & Bor, D. (2020). Reconciling emergences: An information-theoretic approach to identify causal emergence in multivariate data. PLoS computational biology, 16(12), e1008289.
[2] Rosas, F. E., Geiger, B. C., Luppi, A. I., Seth, A. K., Polani, D., Gastpar, M., & Mediano, P. A. (2024). Software in the natural world: A computational approach to emergence in complex multi-level systems. arXiv preprint arXiv:2402.09090.
主讲人
Fernando E. Rosas，英国萨塞克斯大学（University of Sussex）讲师，脑科学研究中心和复杂科学中心（Centre for Psychedelic Research and the Centre for Complexity Science）研究员。他的研究聚焦于分析分布式复杂系统，解决计算神经科学、复杂科学和机器学习交叉领域的问题，旨在揭示驱动分布式多智能体系统计算的迷人原则：它们如何实现整体大于部分之和，共同执行单个个体无法实现的任务，甚至产生预先未定义的新特性。Rosas 的学习和研究经历非常丰富，本科先后获得音乐理论与作曲、数学学士学位，之后取得电气工程硕士和博士学位，2017-2022年间在伦敦帝国理工学院从事研究工作。
活动发起人&主持人
吕奥博，圣路易斯华盛顿大学（WUSTL）系统科学与数学系博士生，研究方向为系统科学、信息论、控制等。
直播信息
北京时间：4月19日（周五）18:00-20:00
英国时间：4月19日（周五）11:00-13:00
线上Zoom会议室（社区成员可获得会议链接参与讨论）
报名方式：
斑图地址：https://pattern.swarma.org/study_group_issue/644
此次读书会公开进行，扫码即可直接获取读书会回看权限。欢迎感兴趣的朋友报新一季名因果涌现读书会，加入因果涌现社区，与社区的一线科研工作者沟通交流，共同推动因果涌现这一前沿领域的发展。
报名成为主讲人：
读书会成员均可以在读书会期间申请成为主讲人。主讲人作为读书会成员，均遵循内容共创共享机制，可以获得报名费退款，并共享本读书会产生的所有内容资源。具体见系列读书会详情：
主要解读论文
- 量化涌现：信息论方法识别多变量数据中的因果涌现
论文题目：Reconciling emergences: An information-theoretic approach to identify causal emergence in multivariate data. 论文链接：https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1008289
尽管涌现的概念在各种具有挑战性的开放性科学问题中都发挥着作用，但却很少有定量理论刻画什么是涌现现象。本文介绍了一种多变量系统中因果涌现的理论，旨在研究系统各部分的动力学与人们关注的宏观态特征之间的关系。该理论提供了一个自上而下因果（downward causation）的定量定义，并引入了涌现行为的补充形式——因果解耦（causal decoupling）。此外，该文章还提出了能够在大型系统中进行有效计算的实用标准，从而适用于一系列实际感兴趣的情况，文中展示了包括康威的生命游戏、雷诺的鸟群模型和脑皮层电图测量的案例。
详情请参看论文翻译：《》
2. 自然世界中的软件：复杂多层系统中涌现的计算方法
论文题目：Software in the natural world: A computational approach to emergence in complex multi-level systems. 论文链接：https://arxiv.org/abs/2402.09090
理解复杂系统的功能架构对于阐明其内部运作并实现有效的预测和控制方法至关重要。最近的进展引入了用于表征涌现宏观层次的工具，然而，尽管这些方法可以成功识别涌现现象何时发生，却难以确定涌现如何产生。因此，该研究开发了一种计算方法来解决这一局限，该方法以宏观过程的计算能力为特征，提供了一套严格的框架，不仅可以成功地识别涌现现象何时发生，而且可以用计算方法解释涌现如何产生。
具体而言，该方法基于软件的工作原理提出了一种关于涌现现象的观点，形式化地阐述了宏观过程如何表达自包含的信息、干预和计算属性。这一框架建立了一系列嵌套的自包含过程（self-contained process），确定了在不同层次上发生了怎样的计算，从而勾勒出复杂系统的功能架构。研究中通过统计物理和计算神经科学中的范例模型检验了这一方法的有效性，这些模型展现出类似于人工系统中软件的宏观过程。总体而言，这一框架可以帮助更深入地理解复杂系统的多层结构，揭示它们可以高效模拟、预测和控制的具体方式。
ε-机器（ε-machines）的双重诠释在因果和计算之间建立联系。ε-机器的粗粒化过程揭示出在不同层次上发生了怎样的计算。
因果涌现读书会第五季招募中
跨尺度、跨层次的涌现是复杂系统研究的关键问题，生命起源和意识起源这两座仰之弥高的大山是其代表。由北京师范大学系统科学学院教授、集智俱乐部创始人张江领衔发起的集智俱乐部「」读书会第五季将追踪因果涌现领域的前沿进展，展示集智社区成员的原创性工作，探讨因果涌现理论、复杂系统的低秩表示理论、本征微观态理论之间的相通之处，希望对复杂系统的涌现现象有更深刻的理解。读书会从2024年4月19日开始，每周五晚20:00-22:00进行，持续时间预计8-10周。欢迎感兴趣的朋友报名参与！
详情请见：