动态涌现理论：现象意识的计算结构和宏观状态

现象意识的动态涌现：一个理论罗伊·莫亚尔和西蒙·埃德尔曼康奈尔大学，伊萨卡纽约14853，美国rm875@cornell.eduse37@cornell.edu抽象。我们概述了现象意识经验的计算理论。我们的动态涌现理论（DET）的目的是解释结构，数量和质量的现象经验的轨迹，通过空间系统的紧急亚稳态宏观状态和其内在的（独立的）拓扑结构和几何。第1节讨论了任何意识的计算理论都必须满足的一些限制。第2节是粗粒化和涌现的概念的概述，这是理解动力系统中的表示和计算的核心然后在第3节中说明DET。部分最后，本文对实验研究进行了一些预测，并对未来的实证和理论研究提出了建议。关键词：动力学，涌现，宏观状态1解释现象经验：公理与限制在这篇简短的论文中，我们提供了动力涌现理论（DET）的简要概述，该理论将意识系统的现象经验[17]的某些方面等同于其动力学的几何和拓扑结构（完整的描述见[14]）。我们对现象觉知的概念对应于我们认为，只要心灵从根本上是计算性的，意识也是计算性的（关于支持这一主张的一些论据，见[10，11，17]）。我们的计算概念相当广泛，不仅包括离散自动机的符号操作，还包括连续动力学，如[11]所述，并在[17]中进一步任何计算都是一个组织不变量[3]，因为它依赖于控制系统状态之间转换模式的关系，换句话说，计算是多重可实现的，因为计算实例的身份不存在于底层系统元素的物理身份（例如自动机或神经元中的状态和转换）中，而是存在于它们的组织中（这必须是系统固有的;见下文）。此外，由于分子组成2尽管有机体的特性是不断变化的，但它的特性（以及它对更高层次的组织（如社会群体）的因果贡献）并不在于其组成分子的特性，而在于它们相互作用的模式。如果有意识的现象经验确实是一种计算，那么这种提供层次分离的组织原则也必须适用于它。Fekete和Edelman（[17，12];关于一组稍有不同的公理，见[27]）引入了意识理论的一个公理化基础虽然上面列出的所有要求都同样适用，但这里我们挑出其中两个（以下称为内在性和结构），并添加第三个（有效性）。总之，这三个要求通过对经验的物理基底和计算实现者进行限制，使现象性的计算方法成为可能：内在性。因为一个系统的现象经验必然是内在的，而不是外部解释或归因的问题，所以定义经验的物理基底（PSE）的任何特征，以及定义其计算实现者（CRE）的那些特征。结构意识只能用组织上（即关系上）定义的状态和转换来解释，其内在结构（CRE）必须与经验的心理结构相匹配。最重要的是，这种内在结构必须反映感受质之间的辨别力。有效性CRE的结构必须在某种明确定义的意义上具有内在的因果效力。直觉上，我们认为这意味着组成CRE的状态和转换必须是预测有效的，如下面第2节所讨论的。经验的物理基础（PSE）是集体动力。一组没有集体动力的元素--其中并非所有元素都因果地相互作用--不是相关（内在）意义上的如果一个系统在两个或多个不同的层次上拥有集体动力学（在亚原子和分子动力学不同的意义上），那么每个这样的层次都是一个候选PSE。经验的计算实现者（CRE）是PSE上的状态和转换的内在结构的涌现模式。如果PSE的集体动力学是非结构化的，例如，在封闭空间中的气体分子的情况下，其联合轨迹空间没有有趣的或有意义的（在[1]的意义上）内在结构，那么系统是无法体验的。然而，如果从一个系统的集体动力学中出现的模式是正确的内在结构（最重要的是，如果它实现了内在的识别;[17，p.807]）并且是因果有效的-就像PSE动力学的粗粒度化[33，34]的情况一样，正如下面定义和讨论的那样-那么这个模式，CRE，满足结构和有效性要求。32粗粒化和突现宏观状态Crutchfield [5，p.12]直观地将涌现描述为新结构“随时间”--即动态地--的自组织[34]CRE级模式可以通过粗粒度化[33，20]从物理衬底中出现，粗粒度化涉及基于其属性的某些统计数据将PSE状态聚合到等价类或为了使所得的宏观态满足固有要求，性质和统计准则的选择必须是内在自洽的。此外，宏观国家要满足有效性要求，它们必须具有内在意义（也就是说，它们的效果不应该是外部解释的问题）。这些要求的应用恰恰导致了情境涌现：在这个过程中，它们的动力学在拓扑上与神经动力学等价我们采用一组系统和正式的[19]语境约束作为工作假设，这些语境约束基于Shalizi（[32，33]）的工作。首先，这种方法要求宏观状态产生于原始域的生成分区-其中宏观状态之间的边界在系统的动态下随着时间的推移而保持不变，这确保了宏观状态本质上是自洽的第二，它要求宏观国家是马尔可夫的，因此，这些要求共同确保宏观状态是稳定的，并且本质上是有意义的。从系统外部，人们可以求助于[33]的宏观状态发现程序，它旨在作为科学家寻求系统有用的高层次表征的工具初始近似，然后连续细化，直到一组最佳的宏状态到达。具体来说，[33，p.9]重要的是，根据宏观状态对系统动力学的重铸为了完成对新兴宏观国家的描述，我们必须考虑它们的因果作用。我们对这个问题的首选方法是比例因果关系的想法，正如[40]中所介绍的那样，并由Harbecke和Atmanspacher [19]详细讨论，他们仔细区分了反事实充分性和必要性，并使用它来支持不同层次的不同和平行的因果贡献是可能的，并且应该被视为相互补充而不是相互排斥他们的框架中的一个这一原则的一个结果是，一组新兴的宏观国家需要时间才能通过稳定而具有因果效力-正如DET及其概念上的前身几何理论所假设的那样。43量化经验考虑到上述PSE和CRE的概念，我们将现象体验定义为系统通过其粗粒宏观态（CRE）空间的轨迹，这些粗粒宏观态（CRE）来自于这个定义与[17]的定义非常接近，除了这里我们允许相关的（CRE）动力学-状态和随机数-从物理基底（PSE）的动力学中出现（而不是必须相同）。通过粗粒化出现的CRE结构从底层动力学继承了其轨迹空间的一些结构;粗粒化结构提供了轨迹之间的更少区别（在这个层面上是宏观状态序列），但它所支持的所有区别在必要的意义上仍然是内在的，仅仅因为宏观状态是原始状态集的分区。我们对经验与系统轨迹的动力学的基本认同一个度量，一个标量，应该量化系统所具有的经验量从昏迷到完全清醒; cf. [15，16]）。对于那些在结构上无法满足PSE或CRE标准的系统，以及那些偶然无法满足这些标准的系统（如无梦睡眠或昏迷），它就会消失。另一种衡量标准应该量化经验的性质，因为它随着时间的推移而展开，因此应该在一定程度上以与正在进行的经验的现象结构相匹配的方式进行结构化我们建议确定AoE与系统的各个状态空间轨迹直觉，一个拓扑上复杂的轨迹，当它在时间中展开时，将对应于一类丰富的正在进行的经验。请注意，属于此类的轨迹的实际精确形状（这是NoE旨在捕获的）受到其拓扑复杂性的约束，但不是唯一确定的。因此，经验的数量（AoE）对应于轨迹重要的是，AoE和NoE都是经验性的衡量标准，而不是我们对PSE或CRE定义的逻辑它们的值必须使用滑动窗口来估计，因此它们取决于窗口的大小和其他测量参数。预计它们会随着影响当前轨迹延伸的系统元素集团的动态变化而波动。尽管存在这些依赖性和波动，但AoE和NoE应该是有用的，因为它们提供了对系统内在拓扑和几何结构的洞察。即使当估计是基于与系统的动态相比相当粗糙的测量时，这也是正确的，如EEG数据和大脑活动的情况。无论如何，鉴于卓越领域和无损失领域的经验性质，它们应被视为相对而非绝对的衡量标准。我们建议使用它们来比较几个这样的状态，而不是试图解释它们为特定状态产生的值，5对应于一些明确定义的并且优选地受控的条件（如下面所建议的）。4今后的工作和结论DET提供了一个试探性答案的问题（“现象意识包括什么？”）很少被意识理论明确地涉及。关于DET和其他理论之间关系的详细讨论-特别是整合信息理论[39，27]-可以在其他地方找到[14]。在这里剩下的一点空间里，我们简要地提到DET激发的经验工作的一些方向。首先，我们建议针对各种EEG（可能还有快速fMRI [7，18]）数据，估计这些措施应在刺激的变化之间进行比较：休息，RC预计将反映唤醒[15] 以及休息和简单刺激的区别，还有AoE。相比之下，与RC或AoE的差异相比，NoE的差异应与刺激之间的变化更紧密地协变（注意，由于NoE不是标量，因此其解释需要在其估计产生的结构上定义度量）。第二，我们建议寻找AoE和NoE之间的参考状态和可报告的感知状态的差异，确定使用楼梯程序。在试验中，无意识和有意识状态之间的AoE和NoE变化（针对相同的物理刺激获得，例如，通过利用增加对比度对减小对比度的滞后）。研究这种变化可以追溯到意识的神经相关物的经典概念[4]。然而，重要的是，DET预测，最好的NCC（在解释或预测意义上，类似于IIT [27]）将出现在新兴宏观国家的水平上，而不是在“微观”水平上单个神经元的活动。第三，我们预测，对应于一个特定的简单刺激的AoE应该是类似的跨这些刺激，但不一定跨个人;对应于一个特定的刺激的NoE不需要是类似的跨这些刺激或跨个人。对于在设计空间中形成受控模式的复杂刺激，由NoE相似性空间中的NoE结构形成的配置应该反映设计模式（这对应于表示空间和世界之间的二阶同构[35，36]的概念[6，13，9，28]）。第四，我们建议对候选宏观状态动态的多个版本进行排名，这些版本通过各种算法和各种来源（如EEG，fMRI，也许还有侵入性电生理测量）根据其预测性经验得出。我们期望，最大预测性的标准将揭示类似的宏观状态和转换模式（动态），无论信号的来源，鉴于意识和复杂刺激的状态被控制，如上所述。6概括地说，DET提供了一个计算框架来解释基本的现象经验，所有有知觉的生物（自然的，也许最终是人造的）都有能力。正如明斯基（Minsky）[26]所讽刺的那样，心智就是大脑所做的事情;在斯佩里（Sperry）[37]和其他人之后，DET假设一些这样的大脑行为-特别是那些以正确结构的内在动力为特征的行为-相当于感觉。这些包括，首先，基本的意识，或被意识和清醒的感觉，以及各种感质或现象的洞察力，意识（但不一定是自我意识）系统可以解决。通过给这些基本概念一个明确的计算解释，DET补充了现有的理论，如全球工作空间理论[2，8]，它以现象学为代价专注于信息处理，以及信息整合理论[39，27]，它假设了DET试图解释的那种计算基底。在识别具有系统轨迹的某些动力学性质的现象时，DET遵循[17]的方法，并对其进行了修改和扩展。DET提供的现象性的计算解释是任何综合意识理论的重要组成部分，对人类来说，这也包括现象自我[23，24]及其大脑基础[21，22]。引用1. 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