Contents
Integrated information theory
統合情報理論
統合情報理論（Integrated Information Theory: IIT）は、なぜある物理システム（人間の脳など）が意識を持つのか[1]、なぜ特定の状態で特定の感じ方をするのか（例えば、夜空を眺めるときに視野が広がって見えるのはなぜか）[2]、そして他の物理システムが意識を持つためには何が必要なのか（犬は意識を持つのか？原理的には、理論が成熟し、制御された条件下で広範にテストされれば、IITフレームワークは、物理システムが意識を持っているかどうか、どの程度意識を持っているか、どのような特定の経験をしているかについて、具体的な推論を提供することができるかもしれない。IITでは、システムの意識（主観的にどうであるか）は、その因果特性（客観的にどうであるか）と同一であると推測される。したがって、物理システムの完全な因果力を展開することで、物理システムの意識的な経験を説明することができるはずである（Central identity参照）[4]。
IITは2004年に神経科学者のジュリオ・トノーニによって提唱され[5]、2014年にはIIT3.0と名付けられた最新版が発表された[6][1]。 しかし、IIT3.0で提示された形式論を改良した論文が後に発表されていることからも分かるように、この理論はまだ発展途上にあると言えるだろう[7][2][8][9]。
概要
「意識のハードプロブレム 」との関係
デイビッド・チャーマーズは、意識を純粋に物理的な言葉で説明しようとすると（つまり、現在定式化されている物理法則から出発して、必要かつ必然的に意識が存在することを導き出そうとすると）、最終的にはいわゆる「ハード・プロブレム」に突き当たると主張している。IITでは、物理法則から出発して意識に到達するのではなく、「意識から出発して」（我々自身の意識の存在を確かなものとして受け入れて）、それを説明するために仮定される物理的な基質が持つべき性質を推論している。現象学からメカニズムへのジャンプを可能にしたのは、意識的な経験の形式的な特性が基礎となる物理システムによって完全に説明できるのであれば、物理システムの特性は経験の特性によって制約されなければならないというIITの仮定によるものである。意識が存在するための物理システム上の制約は未知であり、スプリットブレイン患者や、脳内物質が大量に欠損した意識のある患者を対象とした研究から示唆されるスペクトルが存在する可能性がある。
具体的には、IITでは、現象論からメカニズム論へと移行し、意識的な経験の本質的な性質（「公理」と呼ばれる）を明らかにし、そこから意識的な物理システムの本質的な性質（「定理」と呼ばれる）を明らかにしようとしている。
公理：経験の本質的な性質
統合情報理論の公理とポスチュレート
公理は、すべての意識的な経験の本質的な側面を捉えることを目的としている。すべての公理はすべての可能な経験に適用されるべきである。
公理の文言は理論の発展に伴って若干変更されてきたが，最新の完全な公理の記述は以下の通りである．
本質的な存在
実際、今ここでの私の経験が存在する（実在する）ということは、私が即座にかつ絶対的に確信できる唯一の事実である。実際、今ここでの私の経験が存在する（実在する）ことは、私が即座にかつ絶対的に確信できる唯一の事実である。
構成
意識は構造化されている。各経験は、初歩的なものから高次のものまで、複数の現象学的な区別で構成されている。例えば、1つの体験の中で、本、青色、青色の本、左側、左側の青色の本、などを区別することができる。
情報
意識は特定のものであり、それぞれの経験は特定の現象的区別のセットで構成された特定の方法であり、それによって他の可能な経験とは異なる（差別化）。例えば、ある経験は、多数の空間的位置を特定する現象的区別や、寝室（寝室がない場合とは対照的に）、ベッド（ベッドがない場合とは対照的に）、本（本がない場合とは対照的に）、青い色（青がない場合とは対照的に）などのいくつかの肯定的な概念を含むことができる。また、「青い本がない」という一次区別の高次「束縛」や、「鳥がない」、「自転車がない」、「茂みがない」などの多くの否定的な概念もある。同様に、純粋な暗闇と静寂の経験は、それがある特定の方法であり、それがある特定の品質を持っている（寝室、ベッド、本、青、その他の物、色、音、思考などがない）。そして、そのような状態であることは、私が持つことができたかもしれないが、実際には持っていない多くの代替的な経験とは必然的に異なる。
統合
意識は統合されている。それぞれの経験は不可分であり、相互に依存しない、現象上の区別のないサブセットに細分化することはできない。したがって、私は視覚シーン全体を経験するのであって、視野の左側が右側から独立しているわけではない（その逆も然り）。例えば、白紙のページの中央に「BECAUSE」と書かれているのを見たときの経験は、左の「BE」を見たときの経験と右の「CAUSE」を見たときの経験には還元されない。同様に、青い本を見ることは、青という色のない本を見ることと、本のない青という色を見ることには還元されないのである。
排除
意識は、内容も時空間的な粒度も確定している。それぞれの経験は、その経験が持つ現象的な区別のセットを持ち、それより少なくもなく（サブセット）、多くもなく（スーパーセット）、その経験が流れる速度で流れ、速くもなく遅くもない。例えば、私が体験しているのは、寝室のベッドの上に体があって、本棚には本があって、その中に青い本があるというものであるが、内容が少ない体験、例えば、青い／青くない、色がついている／ついていないという現象的な区別がない体験や、内容が多い体験、例えば、血圧が高い／低いという現象的な区別が追加されている体験はしていない。また、私の経験は、1つの経験が100ミリ秒程度の特定の速度で流れているが、数ミリ秒の経験ではなく、数分や数時間の経験でもない。
– ジュリオ・トノーニ博士、統合情報理論、スカラーペディア[1]。
ポスチュレート：物理的基盤に求められる性質
公理は、意識的な経験における規則性を記述しており、IITはその規則性を説明しようとしている。あらゆる経験が存在し、構造化され、区別され、統一され、確定されているという事実を、何が説明しうるのであろうか？IITでは、このような性質を持つ因果システムが存在することが、最も合理的な説明になると主張している。つまり、物理的なシステムに意識があるとすれば、それはその因果的な特性のおかげであるということである。
意識のある物理的基体に必要な特性は「ポスチュレート」と呼ばれている。これは、物理的基体の存在自体がポスチュレートされているに過ぎないからである（IITは、人が確信できる唯一のことは、自分自身の意識の存在であると主張していることを覚えておくこと）。以下では、「物理システム」とは、それぞれが2つ以上の内部状態、その状態に影響を与える入力、そしてその状態に影響を受ける出力を持つ要素の集合であると考える（ニューロンや論理ゲートが自然な例である）。このように「物理システム」を定義すると、次のような仮定が成り立つ。
本質的な存在
経験の本質的な存在を説明するためには、ある状態の要素で構成されるシステムが本質的に存在する（実際に存在する）必要がある。具体的には、存在するためには、因果関係の力を持っていなければならない。なぜならば、何もそれに影響を与えない、あるいは何にも影響を与えられないものが存在すると仮定することには意味がないからである。さらに、外部の観察者から独立した独自の観点から存在するためには、状態にある要素のシステムは、外部の要因から独立して、それ自身に対する因果応報力を持っていなければならない。因果力は、システムの過去（原因）と未来（結果）のあらゆる可能な状態を軸とする因果空間を考えることで成立する。この空間では、系外の要素の状態（背景条件）を固定したまま、系をある初期状態にする（原因）という「介入」が、偶然とは異なる確率で現在の状態に導くことができ、逆に系を現在の状態にすると、偶然以上の確率で他の状態に導くことができる（効果）ことを示せばよいのである。
構成
システムを構成する要素の部分集合が、さまざまな組み合わせで構成され、システム内でも因果関係を持つという構造であること。したがって、システムABCが要素A、B、Cで構成されている場合、システムABC全体だけでなく、A、B、C、AB、AC、BCなど、要素の任意の部分集合（そのパワーセット）が、因果関係を持つメカニズムを構成することができる。構成によって、初歩的な（1次の）要素が異なる高次のメカニズムを形成したり、複数のメカニズムが構造を形成したりすることができる。
情報
システムは、他の可能性のあるものとは異なる、特定の因果関係のレパートリーの特定のセットという、特定の方法である因果関係の構造を指定しなければならない（差別化）。因果応報レパートリーは、システム内のメカニズムの因果応報力をすべて明示することで、その特徴を明らかにする。因果応報レパートリーは、システムをあらゆる方法で擾乱し、あるメカニズムの現在の状態が、システムの過去と未来の状態の確率にどのような違いをもたらすかを評価することによって決定することができる。システム内の各要素の構成によって規定される因果応報のレパートリーを合わせると、因果応報の構造が特定される。…
統合
システムが指定する因果構造は統合されていなければならない。すなわち、一方向性のパーティションによって得られる非相互依存のサブシステムによって指定されるものとは本質的に不可分でなければならない。因果関係の力が本質的に不可分であることを保証するために、一方的に分割される。これは、システムのすべての部分がシステムの残りの部分に影響を与え、また影響を受けることができなければならないことを意味する。本質的な不可逆性は、統合情報（Big Phi）として測定することができる。これは、システムを最小分割（最も違いの少ない分割）に沿って分割（切断・縮小）した場合に、システムの要素が規定する因果構造がどの程度変化するかを定量化したものである。一方、システムのある分割がその因果構造に違いをもたらさないならば、全体はそれらの部分に還元可能である。全体が部分を超えた因果力を持たないのであれば、全体がそれ自体で存在すると仮定する意味はない。この仮定は、個々のメカニズムにも当てはまる。ある要素のサブセットが経験の特定の側面に貢献できるのは、それらの因果関係のレパートリーの組み合わせが、メカニズムの最小の分割によって還元できない場合に限られる（”small phi “または
}）。
排除
システムが規定する因果構造は確定的なものでなければならない。それは、本質的な観点から最大に還元できない単一の要素セット（
）で規定され、本質的な存在を最大限に主張するものである。… 因果関係に関しては、「勝ち」の因果関係構造は、重なり合う要素の上に指定された代替の因果関係構造を除外するという結果になり、そうでなければ因果関係の過剰決定が存在することになる。… 排除の定理は、オッカムのカミソリ（実体は必要以上に増やされるべきではない）を実行していると言える。要素のシステム上の単一の因果構造（システムの本質的な観点から最大限に還元されないもの）の存在を仮定することは、存在してもそれ以上の違いをもたらさない多数の重複する因果構造よりも、より簡潔なものである。排除の定理は、個々のメカニズムにも当てはまる。ある状態の要素のサブセットは、システム内で最大に還元できない因果関係のレパートリー（MICE）を指定する（）、これをコアコンセプトと呼ぶ。繰り返しになるが、同じ要素に重なる因果関係のレパートリーを追加で指定することはできない。そうしないと、メカニズムの違いが何度もカウントされてしまうからである。… 最後に、排除の定理は時空間の粒にも当てはまり、概念構造は空間（クォーク、原子、神経細胞、神経細胞群、脳領域など）と時間（マイクロ秒、ミリ秒、秒、分など）の一定の粒度（最大になる粒度）で規定されることを意味する。… 繰り返しになるが、メカニズムは、特定の時間的な粒度で因果関係のレパートリーを指定し、さらに細かい粒度や粗い粒度で付加的な効果を指定することはできない。そうでなければ、メカニズムがもたらす違いを何度も数えてしまうことになるからである。
– ジュリオ・トノーニ博士、統合情報理論、スカラーペディア[1]。
数学：ポスチュレートの形式化
IITの数学的な公式化についての完全かつ詳細な説明は、参考文献を参照してほしい[6]。 以下は、関係する最も重要な量の簡単な要約として意図されたものであり、[10]から引用したものである。これらの量を計算するために使用されるアルゴリズムの疑似コードは，参考文献に掲載されている[11]。アルゴリズムの視覚的な図解については，PyPhiツールボックスについて説明した論文の補足資料を参照してほしい[12]。
システムとは、それぞれが2つ以上の内部状態、その状態に影響を与える入力、その状態に影響を受ける出力を持つ要素の集合を指す。メカニズムとは、システム要素のサブセットを指す。以下のメカニズムレベルの量は、任意のメカニズムの統合を評価するために使用され、システムレベルの量は、メカニズムのセット（「セットのセット」）の統合を評価するために使用される。
IIT 形式論をシステムに適用するためには、その完全な遷移確率行列（TPM）が分かっていなければならない。TPMは、システムの任意の状態が他のシステムの任意の状態に遷移する確率を指定する。以下の各量は、システムのTPMからボトムアップ的に計算される。
原文参照
原因-結果空間
N個の単純二項要素からなるシステムの因果空間は、システムの過去と未来の状態を表す軸で形成される。システムの過去と未来の各可能な状態の確率を指定する因果関係のレパートリー{{displaystyle R}R}}は、この高次元空間の点として容易にプロットすることができる。この点の各軸上の位置は、{displaystyle R}Rで指定されたその状態の確率によって与えられる。また、点がスカラーの大きさを持っているとすると（例えば、点の「大きさ」と非公式に考えることができる）、その点は簡単に概念を表すことができる。概念の因果レパートリーは因果空間における点の位置を指定し、概念の｛displaystyle Ōvarphi ^{textrm {Max}}｝｛displaystyle Ōvarphi ^{textrm {Max}}｝値はその点の大きさを指定するのである。
このようにして、概念構造Cは、因果関係空間における点の集まりとしてプロットすることができる。各点は星と呼ばれ、星の大きさはマグニチュード(Magnitude)と呼ばれている。
セントラル・アイデンティティ
IITでは、経験の現象的性質と物理システムの因果的性質の間にアイデンティティを提唱することで、心身問題を解決している。ある状態にある要素の複合体によって規定される概念構造は、その経験と同一である。
具体的には、因果空間における概念構造の形態は経験の質を完全に規定し、概念構造の不可分性は、それが存在するレベル（複合体の意識レベル）を規定するものである。概念構造内の各概念の最大還元不可能な因果レパートリーは、その概念が経験の質にどのような貢献をしているかを示し、その還元不可能性は、その概念が経験にどの程度存在しているかを示す。
IITによれば、経験とは、ある状態にあるメカニズムの複合体の固有の性質である。
拡張機能
そこそこの規模のシステムであっても、{\\\\\\}の計算は計算困難な場合が多く[12]、統合された情報のヒューリスティックな指標や代理指標を開発する努力がなされている。例えば、大泉雅文氏らは、統合情報の実用的な近似指標として、幾何学的統合情報（Geometric Integrated Information）[13]と{displaystyle ˶^{G}}{˶^{G}}[14]を開発した。これらは、以前にAnil SethやAdam Barrettが開発した代理指標に関連するものである[15]。 しかし、これらの代理指標はいずれも実際の値との関係が数学的に証明されておらず、これらを用いた分析の解釈を複雑にしている。これらは、非常に小さなシステムであっても、質的に異なる結果を与える可能性がある[16]。
統合情報を計算する上での大きな課題は，神経系の最小情報分割を見つけることであり，これには，可能なすべてのネットワーク分割を繰り返し行う必要がある．この問題を解決するために，Daniel TokerとFriedrich T. Sommerは，システムのダイナミクスの相関行列のスペクトル分解が，最小情報分割の迅速かつロバストな代理となることを示した[17]．
関連する実験結果
システムの統合情報を評価するアルゴリズム[12][11]は比較的簡単であるが、その時間的な複雑さのため、多くの対象システムでは計算不可能である[12]。このような計算上の課題に加え，実験条件下で意識を確実かつ正確に評価することはすでに困難であるため，理論の予測の多くを検証することは困難です．
このような課題にもかかわらず，研究者たちは，情報の統合と分化の尺度を用いて，さまざまな被験者の意識レベルを評価することを試みている[18][19]． [18][19]例えば、計算量の少ない代用手段を用いた最近の研究では、覚醒状態、睡眠状態（夢を見ている状態と見ていない状態）、麻酔状態、昏睡状態（植物状態と最小限の意識状態と閉じ込められた状態）の人の様々な意識レベルを確実に識別することができた[20]。
IITはまた、既存の実験的証拠とよく合ういくつかの予測を行い、意識研究におけるいくつかの直観に反する発見を説明するために用いることができる[1]。 例えば、IITは、小脳のようないくつかの脳領域が、その大きさや機能的重要性にもかかわらず、意識に寄与していないように見える理由を説明するために用いることができる。
受付
このセクションは拡張が必要である。皆様のご協力をお願いしたい。(2016年5月)
統合情報理論は、幅広い批判と支持の両方を受けている。
支持の声
理論の発展に貢献してきた神経科学者のクリストフ・コッホは、IITを「意識に関する唯一の本当に有望な基礎理論」と呼んでいる[21]。 技術者で元IIT研究者のヴァージル・グリフィスは、「IITは現在、意識の主要な理論である」と述べている。しかし、IITが有効な理論であるかどうかについての彼の答えは「たぶん違う」だ[22]。
ダニエル・デネットは、IITを「シャノン情報理論を斬新な方法で用いた統合情報」という観点から意識理論とみなしている。そのため、「システムやメカニズムがそれ自身の以前の状態、すなわちそのすべての部分の状態について持っているシャノン情報の量を測定するという、アバウトネスについての非常に限られた役割」を持っている[23]。
批判
意識の理論としてのIITの主張は「現時点では科学的に確立されておらず、検証可能ではない」という批判がある[24]。 しかし、IITが示唆する完全な分析が人間の脳に対して現時点では完成していないことは事実であるが、IITはすでに視覚野のモデルに適用され、視覚空間がなぜそのように感じるのかを厳密に説明することに成功している[2]。
神経科学者のビョルン・マーカー、デビッド・ルドラフ、哲学者のケネス・ウィリフォードは、いくつかの理由でIITを批判する論文を共同で発表した。第一に、IITの形式的な意味での統合と分化を実際に組み合わせているシステムのメンバーすべてが意識を持っていることを証明していないこと。高いレベルの情報の統合と分化を示すシステムは、意識の必要条件を提供しているかもしれないが、それらの属性の組み合わせは意識の条件にはならない。次に、Φという指標は、意識レベルではなく、グローバルな情報伝達の効率性を反映しており、覚醒状態の違い（覚醒、夢を見ている、夢を見ない睡眠、麻酔、発作、昏睡など）によるΦの意識レベルとの相関関係は、実際には皮質の関与のために実行される効率的なネットワーク相互作用のレベルを反映しているという。したがって、Φは意識ではなくネットワーク効率を反映しており、それは皮質のネットワーク効率が果たす機能の1つとなるだろう[25]。 もちろん、IITは（情報と統合だけではなく）5つの仮定がすべて満たされることの重要性を強調しており、Φが意識と同一であるとは主張していないため、IITのトピックに関する著者の信頼性は損なわれ、彼らの主な批判は妨げられたままである[26]。
プリンストン大学の神経科学者マイケル・グラツィアノはIITを疑似科学として否定している。彼はIITが「科学的な成功や理解の可能性がない」「魔術師の理論」であると主張している[27]。
理論的コンピュータ科学者のスコット・アーロンソンは、IITを批判し、非活性な一連の論理ゲートを正しい方法で配置すれば、意識があるだけでなく、「人間よりも無限に意識がある」ことを独自の定式化によって証明している[28]。 トノーニ自身もこの評価に同意し、IITによれば、非活性な論理ゲートをさらに単純に配置しても、十分な大きさがあれば意識があると主張している。しかし彼はさらに、これはIITの弱点ではなく強みであると主張している[29][30]。
意識の科学的研究に携わる58人の学者による査読付き解説書は、論理ゲートに関するこれらの結論を、「経験的に生産的な仮説」とは区別されるべき「神秘的で証明できない主張」として否定している[31][clarification needed] 意識の科学的理論としてのIITは、科学的な文献において、自らの定義によって「誤っているか、非科学的であるか」のどちらかしかできないと批判されている[32]。 [32] また、意識分野の他のメンバーからは、IITは「非科学的な信仰の飛躍」を必要とすると糾弾されているが、理論が正しく理解されていれば、実際にそうであるかどうかは明らかではない[33] 。哲学者のアダム・パウツは「IITの支持者がこれらの疑問に対処しない限り、彼らは真か偽かを評価できる明確な理論をテーブルの上に置いていない」と述べている[34]。
影響力のある哲学者ジョン・サールは、「この理論は汎心論を暗示している」「汎心論の問題点は、それが間違っているということではなく、間違っているというレベルにまで達していないことだ。主張に明確な概念が与えられていないので、厳密には無意味である」と述べている[35]。ただし、理論が汎心論的な意味合いを持つかどうか（物理的に存在するものの全てあるいは大部分が、意識を持つ何かであるか、その一部であるか、あるいは意識を持つ部分で構成されているに違いないということ）は、その理論の科学的妥当性とは関係がない。
また、IITの数学は、「高いΦ値を持つためには、わずかな摂動にも不安定な高度に特異的な構造が必要である」と批判されている[36]。このようなわずかな摂動への影響の受けやすさは、人間の脳における神経可塑性に関する経験的な結果と矛盾しており、理論を弱めているように思える。しかし、シュヴィッツゲーベルが調べたシステムは、論理ゲートの小さなネットワークであり、通常の覚醒状態にある人間の脳ではなかったため、検証された意識的経験にアクセスできるシステム（人間）への一般化には疑問がある。
Φメジャーの計算のしやすさも問題になっている。マックス・テグマークによれば、「IITが提案した統合尺度は、システムの情報量に応じて超指数関数的に増大し、大規模なシステムに対して評価することは計算上不可能である」[37]。しかし、Φを近似する方法が違えば、結果も大きく変わってくる[38]。他の研究では、大規模な平均場ニューラルネットワークモデルにおいてΦが計算できることが示されているが、これらの大規模なシステムにおける相転移を捉えるためには、理論のいくつかの仮定を修正する必要がある[39][40]。
哲学者のTim Bayneはこの理論の公理的基礎を批判している[41]。 彼は「Tononiらが訴えているいわゆる『公理』は真の公理としての資格を持たない」と結論づけている。
また、IITの様々な側面も批判の対象となっている。それは次のようなものである。
IITは意識に必要な条件を提案しているが、批評家はそれが完全に十分ではないかもしれないと指摘している[42]。
IITはその公理が自明であると主張していると言われている[43][clarification needed]。
機能主義の哲学者たちはIITが非機能主義であることを批判している[43]。
IITにおける意識の定義は直接的に批判されている[42][43][明確化が必要]。