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科研進(jìn)展

陳洛南研究組合作構(gòu)建基于時(shí)序數(shù)據(jù)的“因果網(wǎng)絡(luò)”

來(lái)源: 時(shí)間:2020-06-01

  5月26日,中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所)陳洛南研究組與復(fù)旦大學(xué)、蘇州大學(xué)、日本東京大學(xué)等團(tuán)隊(duì)共同合作,提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的因果網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的新型算法。該方法可以用于大規(guī)模復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)蘊(yùn)因果網(wǎng)絡(luò)的復(fù)現(xiàn),有助于解析實(shí)際系統(tǒng)演化的本質(zhì)機(jī)制和規(guī)律。研究成果“Partial cross mapping eliminates indirect causal influences”(偏交叉映射排除間接因果影響)在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。

  因果關(guān)系是自然界現(xiàn)象之間最普遍和最基本的聯(lián)系。在生命科學(xué)、物理學(xué)、地理學(xué)等各個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域乃至哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等社會(huì)科學(xué)中,發(fā)現(xiàn)內(nèi)蘊(yùn)的因果關(guān)系、因果網(wǎng)絡(luò)可以反映系統(tǒng)演化的核心互作機(jī)制,具有重要的科學(xué)意義。因此,如何在只基于觀測(cè)數(shù)據(jù),并且在復(fù)雜系統(tǒng)精確模型缺失的前提下,準(zhǔn)確地辨識(shí)系統(tǒng)變量之間的因果關(guān)系和因果網(wǎng)絡(luò),成為了包括人工智能在內(nèi)的科學(xué)研究中的焦點(diǎn)問(wèn)題,受到生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

  傳統(tǒng)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和信息論的因果分析方法,如格蘭杰因果關(guān)系、傳遞熵等方法,需要變量因素之間具有可分性條件,即需要將原因信息從結(jié)果信息中分離出來(lái)。然而在現(xiàn)實(shí)世界中,特別是非線(xiàn)性復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)所產(chǎn)生的多維度時(shí)間序列中,這樣的可分性條件無(wú)法得到滿(mǎn)足,因果機(jī)制往往交織在同一個(gè)時(shí)間序列之中。另一方面,由于因果關(guān)系在多變量之間的傳遞性,而直接因果關(guān)系才能反映現(xiàn)象之間本質(zhì)的內(nèi)在機(jī)制,因此發(fā)展有效可靠算法,區(qū)分復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)中的直接與間接因果,也成為了重要科學(xué)問(wèn)題。面向這些問(wèn)題,本項(xiàng)研究利用動(dòng)力系統(tǒng)理論清晰闡明了可分性條件的嚴(yán)格數(shù)學(xué)機(jī)理,并綜合利用相空間重構(gòu)、交叉映射、偏相關(guān)系數(shù)等動(dòng)力學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)算法,建立了新型偏交叉映射方法PCM,實(shí)現(xiàn)了非線(xiàn)性動(dòng)力系統(tǒng)中直接因果與間接因果的區(qū)分,從而為在大規(guī)模數(shù)據(jù)中辨識(shí)可信的因果網(wǎng)絡(luò)提供了可靠算法。該算法已被用于生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境與疾病互作系統(tǒng)以及基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)實(shí)際問(wèn)題中,成功復(fù)現(xiàn)了這些復(fù)雜動(dòng)力學(xué)演化系統(tǒng)的內(nèi)蘊(yùn)因果網(wǎng)絡(luò),為進(jìn)一步理解系統(tǒng)演化的基本機(jī)制提供了方法學(xué)基礎(chǔ)。

  此項(xiàng)研究進(jìn)一步完善了現(xiàn)有復(fù)雜系統(tǒng)因果分析的理論體系,為多學(xué)科共性科學(xué)問(wèn)題提供了有效的數(shù)學(xué)方法,面向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,體現(xiàn)了應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的價(jià)值。陳洛南研究員與復(fù)旦大學(xué)林偉教授、東京大學(xué)合原一幸教授是論文共同通訊作者,冷思陽(yáng)博士為論文第一作者,蘇州大學(xué)馬歡飛教授為共同作者。本項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院先導(dǎo)、上海市科委項(xiàng)目的支持。

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