瞬态现象在多个尺度上协调大脑活性方面起着关键作用，但是，它们的潜在机制在很大程度上仍然未知。因此，神经数据科学的一个关键挑战是表征这些事件期间的网络交互。使用结构性因果模型的形式主义及其图形表示，我们研究了基于信息理论的理论和经验特性，基于信息理论的因果力量测量在反复自发的瞬态事件的背景下。在这种环境中显示了转移熵和动态因果强度的局限性之后，我们引入了一种新颖的度量，相对动态的因果强度，并为其益处提供了理论和经验支持。这些方法应用于模拟和实验记录的神经时间序列，并与我们当前对潜在脑电路的理解相吻合。

This review presents empirical researchers with recent advances in causal inference, and stresses the paradigmatic shifts that must be undertaken in moving from traditional statistical analysis to causal analysis of multivariate data. Special emphasis is placed on the assumptions that underly all causal inferences, the languages used in formulating those assumptions, the conditional nature of all causal and counterfactual claims, and the methods that have been developed for the assessment of such claims. These advances are illustrated using a general theory of causation based on the Structural Causal Model (SCM) described in Pearl (2000a), which subsumes and unifies other approaches to causation, and provides a coherent mathematical foundation for the analysis of causes and counterfactuals. In particular, the paper surveys the development of mathematical tools for inferring (from a combination of data and assumptions) answers to three types of causal queries: (1) queries about the effects of potential interventions, (also called "causal effects" or "policy evaluation") (2) queries about probabilities of counterfactuals, (including assessment of "regret," "attribution" or "causes of effects") and (3) queries about direct and indirect effects (also known as "mediation"). Finally, the paper defines the formal and conceptual relationships between the structural and potential-outcome frameworks and presents tools for a symbiotic analysis that uses the strong features of both.

基于AI和机器学习的决策系统已在各种现实世界中都使用，包括医疗保健，执法，教育和金融。不再是牵强的，即设想一个未来，自治系统将推动整个业务决策，并且更广泛地支持大规模决策基础设施以解决社会最具挑战性的问题。当人类做出决定时，不公平和歧视的问题普遍存在，并且当使用几乎没有透明度，问责制和公平性的机器做出决定时（或可能会放大）。在本文中，我们介绍了\ textit {Causal公平分析}的框架，目的是填补此差距，即理解，建模，并可能解决决策设置中的公平性问题。我们方法的主要见解是将观察到数据中存在的差异的量化与基本且通常是未观察到的因果机制收集的因果机制的收集，这些机制首先会产生差异，挑战我们称之为因果公平的基本问题分析（FPCFA）。为了解决FPCFA，我们研究了分解差异和公平性的经验度量的问题，将这种变化归因于结构机制和人群的不同单位。我们的努力最终达到了公平地图，这是组织和解释文献中不同标准之间关系的首次系统尝试。最后，我们研究了进行因果公平分析并提出一本公平食谱的最低因果假设，该假设使数据科学家能够评估不同影响和不同治疗的存在。

因果关系是理解世界的科学努力的基本组成部分。不幸的是，在心理学和社会科学中，因果关系仍然是禁忌。由于越来越多的建议采用因果方法进行研究的重要性，我们重新制定了心理学研究方法的典型方法，以使不可避免的因果理论与其余的研究渠道协调。我们提出了一个新的过程，该过程始于从因果发现和机器学习的融合中纳入技术的发展，验证和透明的理论形式规范。然后，我们提出将完全指定的理论模型的复杂性降低到与给定目标假设相关的基本子模型中的方法。从这里，我们确定利息量是否可以从数据中估算出来，如果是的，则建议使用半参数机器学习方法来估计因果关系。总体目标是介绍新的研究管道，该管道可以（a）促进与测试因果理论的愿望兼容的科学询问（b）鼓励我们的理论透明代表作为明确的数学对象，（c）将我们的统计模型绑定到我们的统计模型中该理论的特定属性，因此减少了理论到模型间隙通常引起的规范不足问题，以及（d）产生因果关系和可重复性的结果和估计。通过具有现实世界数据的教学示例来证明该过程，我们以摘要和讨论来结论。

Network-based analyses of dynamical systems have become increasingly popular in climate science. Here we address network construction from a statistical perspective and highlight the often ignored fact that the calculated correlation values are only empirical estimates. To measure spurious behaviour as deviation from a ground truth network, we simulate time-dependent isotropic random fields on the sphere and apply common network construction techniques. We find several ways in which the uncertainty stemming from the estimation procedure has major impact on network characteristics. When the data has locally coherent correlation structure, spurious link bundle teleconnections and spurious high-degree clusters have to be expected. Anisotropic estimation variance can also induce severe biases into empirical networks. We validate our findings with ERA5 reanalysis data. Moreover we explain why commonly applied resampling procedures are inappropriate for significance evaluation and propose a statistically more meaningful ensemble construction framework. By communicating which difficulties arise in estimation from scarce data and by presenting which design decisions increase robustness, we hope to contribute to more reliable climate network construction in the future.

This chapter sheds light on the synaptic organization of the brain from the perspective of computational neuroscience. It provides an introductory overview on how to account for empirical data in mathematical models, implement them in software, and perform simulations reflecting experiments. This path is demonstrated with respect to four key aspects of synaptic signaling: the connectivity of brain networks, synaptic transmission, synaptic plasticity, and the heterogeneity across synapses. Each step and aspect of the modeling and simulation workflow comes with its own challenges and pitfalls, which are highlighted and addressed in detail.

跨学科的一个重要问题是发现产生预期结果的干预措施。当可能的干预空间很大时，需要进行详尽的搜索，需要实验设计策略。在这种情况下，编码变量之间的因果关系以及因此对系统的影响，对于有效地确定理想的干预措施至关重要。我们开发了一种迭代因果方法来识别最佳干预措施，这是通过分布后平均值和所需目标平均值之间的差异来衡量的。我们制定了一种主动学习策略，该策略使用从不同干预措施中获得的样本来更新有关基本因果模型的信念，并确定对最佳干预措施最有用的样本，因此应在下一批中获得。该方法采用了因果模型的贝叶斯更新，并使用精心设计的，有因果关系的收购功能优先考虑干预措施。此采集函数以封闭形式进行评估，从而有效优化。理论上以信息理论界限和可证明的一致性结果在理论上基于理论上的算法。我们说明了综合数据和现实世界生物学数据的方法，即来自worturb-cite-seq实验的基因表达数据，以识别诱导特定细胞态过渡的最佳扰动；与几个基线相比，观察到所提出的因果方法可实现更好的样品效率。在这两种情况下，我们都认为因果知情的采集函数尤其优于现有标准，从而允许使用实验明显更少的最佳干预设计。

This work shows how to leverage causal inference to understand the behavior of complex learning systems interacting with their environment and predict the consequences of changes to the system. Such predictions allow both humans and algorithms to select the changes that would have improved the system performance. This work is illustrated by experiments on the ad placement system associated with the Bing search engine.

许多增强学习（RL）环境包括独立实体，这些实体稀疏地互动。在这种环境中，RL代理商在任何特定情况下对其他实体的影响仅受限。我们在这项工作中的想法是，通过了解代理人可以通过其行动的何时以及何时何地效力，可以有效地指导。为实现这一目标，我们根据条件互信息介绍\ emph {情况依赖性因果影响}，并表明它可以可靠地检测影响的态度。然后，我们提出了几种方法将这种措施集成到RL算法中，以改善探索和禁止政策学习。所有修改的算法都显示出机器人操纵任务的数据效率强劲增加。

动态系统广泛用于科学和工程，以模拟由多个交互组件组成的系统。通常，它们可以在意义上给出因果解释，因为它们不仅模拟了系统组件状态随时间的演变，而且描述了他们的进化如何受到动态的系统的外部干预的影响。我们介绍了结构动态因果模型（SDCMS）的正式框架，其将系统组件的因果语言作为模型的一部分来阐述。 SDCMS表示动态系统作为随机过程的集合，并指定了管理每个组件的动态的基本因果机制，作为任意顺序的随机微分方程的结构化系统。 SDCMS扩展了结构因果模型（SCM）的多功能因果建模框架，也称为结构方程模型（SEM），通过显式允许时间依赖。 SDCM可以被认为是SCM的随机过程版本，其中SCM的静态随机变量由动态随机过程及其衍生物代替。我们为SDCMS理论提供基础，（i）正式定义SDCMS，其解决方案，随机干预和图形表示; （ii）对初始条件的解决方案的存在性和独特性; （iii）随着时间的推移倾向于无穷大，讨论SDCMS平衡的条件下降; （iv）将SDCM的性质与平衡SCM的性质相关联。这封对应关系使人们能够在研究大类随机动力系统的因果语义时利用SCM的大量统计工具和发现方法。该理论用来自不同科学域的几个众所周知的示例进行说明。

We explore how observational and interventional causal discovery methods can be combined. A state-of-the-art observational causal discovery algorithm for time series capable of handling latent confounders and contemporaneous effects, called LPCMCI, is extended to profit from casual constraints found through randomized control trials. Numerical results show that, given perfect interventional constraints, the reconstructed structural causal models (SCMs) of the extended LPCMCI allow 84.6% of the time for the optimal prediction of the target variable. The implementation of interventional and observational causal discovery is modular, allowing causal constraints from other sources. The second part of this thesis investigates the question of regret minimizing control by simultaneously learning a causal model and planning actions through the causal model. The idea is that an agent to optimize a measured variable first learns the system's mechanics through observational causal discovery. The agent then intervenes on the most promising variable with randomized values allowing for the exploitation and generation of new interventional data. The agent then uses the interventional data to enhance the causal model further, allowing improved actions the next time. The extended LPCMCI can be favorable compared to the original LPCMCI algorithm. The numerical results show that detecting and using interventional constraints leads to reconstructed SCMs that allow 60.9% of the time for the optimal prediction of the target variable in contrast to the baseline of 53.6% when using the original LPCMCI algorithm. Furthermore, the induced average regret decreases from 1.2 when using the original LPCMCI algorithm to 1.0 when using the extended LPCMCI algorithm with interventional discovery.

决策者需要在采用新的治疗政策之前预测结果的发展，该政策定义了何时以及如何连续地影响结果的治疗序列。通常，预测介入的未来结果轨迹的算法将未来治疗的固定顺序作为输入。这要么忽略了未来治疗对结果之前的结果的依赖性，要么隐含地假设已知治疗政策，因此排除了该政策未知或需要反事实分析的情况。为了应对这些局限性，我们开发了一种用于治疗和结果的联合模型，该模型允许估计处理策略和顺序治疗（OUT COMECTION数据）的影响。它可以回答有关治疗政策干预措施的介入和反事实查询，因为我们使用有关血糖进展的现实数据显示，并在此基础上进行了模拟研究。

我们合并计算力学的因果状态（预测等同历史）的定义与再现 - 内核希尔伯特空间（RKHS）表示推断。结果是一种广泛适用的方法，可直接从系统行为的观察中迁移因果结构，无论它们是否超过离散或连续事件或时间。结构表示 - 有限或无限状态内核$ \ epsilon $ -Machine - 由减压变换提取，其提供了有效的因果状态及其拓扑。以这种方式，系统动态由用于在因果状态上的随机（普通或部分）微分方程表示。我们介绍了一种算法来估计相关的演化运营商。平行于Fokker-Plank方程，它有效地发展了因果状态分布，并通过RKHS功能映射在原始数据空间中进行预测。我们展示了这些技术，以及他们的预测能力，在离散时间的离散时间离散 - 有限的无限值Markov订单流程，其中有限状态隐藏马尔可夫模型与（i）有限或（ii）不可数 - 无限因果态和（iii）连续时间，由热驱动的混沌流产生的连续值处理。该方法在存在不同的外部和测量噪声水平和非常高的维数据存在下鲁棒地估计因果结构。

发现新药是寻求并证明因果关系。作为一种新兴方法利用人类的知识和创造力，数据和机器智能，因果推论具有减少认知偏见并改善药物发现决策的希望。尽管它已经在整个价值链中应用了，但因子推理的概念和实践对许多从业者来说仍然晦涩难懂。本文提供了有关因果推理的非技术介绍，审查了其最新应用，并讨论了在药物发现和开发中采用因果语言的机会和挑战。

A common assumption in causal inference from observational data is that there is no hidden confounding. Yet it is, in general, impossible to verify the presence of hidden confounding factors from a single dataset. Under the assumption of independent causal mechanisms underlying the data generating process, we demonstrate a way to detect unobserved confounders when having multiple observational datasets coming from different environments. We present a theory for testable conditional independencies that are only absent during hidden confounding and examine cases where we violate its assumptions: degenerate & dependent mechanisms, and faithfulness violations. Additionally, we propose a procedure to test these independencies and study its empirical finite-sample behavior using simulation studies and semi-synthetic data based on a real-world dataset. In most cases, our theory correctly predicts the presence of hidden confounding, particularly when the confounding bias is~large.

估计平均因果效应的理想回归（如果有）是什么？我们在离散协变量的设置中研究了这个问题，从而得出了各种分层估计器的有限样本方差的表达式。这种方法阐明了许多广泛引用的结果的基本统计现象。我们的博览会结合了研究因果效应估计的三种不同的方法论传统的见解：潜在结果，因果图和具有加性误差的结构模型。

因果和归因研究对于地球科学发现至关重要，对于为气候，生态和水政策提供信息至关重要。但是，当前的方法需要与科学和利益相关者挑战的复杂性以及数据可用性以及数据驱动方法的充分性相结合。除非通过物理学进行仔细的通知，否则它们会冒着将相关性与因果关系相关或因估计不准确而淹没的风险。鉴于自然实验，对照试验，干预措施和反事实检查通常是不切实际的，因此已经开发了信息理论方法，并在地球科学中不断完善。在这里，我们表明，基于转移熵的因果图最近在具有备受瞩目的发现的地球科学中变得流行，即使增强具有统计学意义，也可能是虚假的。我们开发了一种基于子样本的合奏方法，用于鲁棒性因果分析。模拟数据以及气候和生态水文中的观察表明，这种方法的鲁棒性和一致性。

科学家经常使用观察时间序列数据来研究从气候变化到民间冲突再到大脑活动的复杂自然过程。但是对这些数据的回归分析通常假定简单的动态。深度学习的最新进展使从语音理解到核物理学再到竞争性游戏的复杂过程模型的表现实现了令人震惊的改进。但是深度学习通常不用于科学分析。在这里，我们通过证明可以使用深度学习，不仅可以模仿，而且可以分析复杂的过程，在保留可解释性的同时提供灵活的功能近似。我们的方法 - 连续时间反向逆转回归神经网络（CDRNN） - 放宽标准简化的假设（例如，线性，平稳性和同质性）对于许多自然系统来说是不可信的，并且可能会严重影响数据的解释。我们评估CDRNNS对人类语言处理，这是一个具有复杂连续动态的领域。我们证明了行为和神经影像数据中预测可能性的显着改善，我们表明CDRNN可以在探索性分析中灵活发现新型模式，在确认分析中对可能的混杂性提供强有力的控制，并打开否则就可以使用这些问题来进行研究，这些问题否则就可以使用这些问题来进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究。观察数据。

复杂系统通常包含可谓循环因果模型的反馈循环。在这种系统中干预可能导致反向直观的效果，这不能直接从图形结构推断。在建立基于LIE组的可分辨率干预框架之后，我们利用现代的自动差异化技术及其应用于隐含功能，以便优化循环因果模型中的干预措施。我们说明了通过调查转型的转型方式与可持续经济体的情况来使用这种框架。

动态系统中的完美适应性是一个或多个变量具有对外部刺激的持续变化的初始短暂响应的现象，但随着系统收敛到平衡，其原始值还原为原始值。借助因果有序算法，可以构建代表变量之间的因果关系和平衡分布中条件独立性之间的因果关系的图形表示。我们应用这些工具来制定足够的图形条件，以识别一组一阶微分方程的完美适应。此外，我们提供了足够的条件来测试实验平衡数据中完美适应的情况。我们将此方法应用于蛋白质信号通路的简单模型，并在模拟和使用现实世界中的蛋白质表达数据中测试其预测。我们证明，完美的适应会导致因果发现算法输出中边缘的误导方向。