통합 정보 이론

[frame|[Φ; 통합 정보에 사용되는 기호]]

**통합 정보 이론**(Integrated information theory, **IIT**)은 시스템의 의식에 대한 수학적 모델을 제시한다. 이 이론은 궁극적으로 왜 일부 물리 시스템(예: 인간의 뇌)이 의식적인지 설명하고 어떤 물리 시스템이 어느 정도까지 의식적이며 어떤 특정 경험을 하는지에 대한 구체적인 추론을 제공할 수 있도록 고안된 틀이다. 또한 특정 상태에서 특정 방식으로 느끼는 이유(예: 밤하늘을 바라볼 때 시야가 확장되어 보이는 이유)와 다른 물리 시스템이 의식적이기 위해 무엇이 필요한지(다른 동물들도 의식적인가? 우주 전체가 그럴 수 있는가?)를 설명한다. 이 이론은 반응 없는 환자의 의식을 경험적으로 평가하는 새로운 임상 기술 개발에 영감을 주었다.

IIT에 따르면, 통합 정보(Φ)는 의식의 양에 해당한다. 즉, 시스템의 의식(주관적으로 어떤 느낌인지)은 시스템의 인과 구조(객관적으로 어떤 느낌인지)에 의해 수학적으로 기술될 것으로 추정된다. 따라서 물리 시스템의 의식 경험은 그 시스템의 완전한 인과적 능력을 펼쳐 설명할 수 있어야 한다.

IIT는 신경과학자 줄리오 토노니가 2004년에 제안했다. 상당한 관심에도 불구하고, IIT는 논쟁의 여지가 남아있다. 2023년에 여러 학자들은 IIT를 충분한 경험적 뒷받침이 부족하다는 이유로 반증 불가능한 유사과학으로 특징지었고, 2025년 네이처 신경과학 논평에서도 이 주장이 반복되었다. 이 분야 연구자들을 대상으로 한 설문조사에서는 극소수만이 "유사과학"이라는 명칭을 전적으로 지지하는 것으로 나타났다. 다른 연구자들은 이에 대응하여 이 이론을 옹호했다.

## 개요
[thumb|[줄리오 토노니와 크리스토프 코흐의 IIT 공리 및 가설에 대한 자세한 설명]]

### "의식의 어려운 문제"와의 관계
데이비드 차머스는 순전히 물리적 용어(즉, 현재 공식화된 물리학 법칙에서 시작하여 의식의 필요하고 필연적인 존재를 도출하는 것)로 의식을 설명하려는 모든 시도가 결국 소위 "어려운 문제"에 부딪힌다고 주장했다. 물리적 원리에서 시작하여 의식에 도달하려고 시도하기보다는, IIT는 "의식에서 시작하여"(우리 자신의 의식의 존재를 확실하게 받아들임) 그것을 설명하기 위해 가설적인 물리적 기판이 가져야 할 속성에 대해 추론한다. 현상학에서 메커니즘으로의 이러한 도약을 수행하는 능력은 IIT의 가정에 기반을 두고 있는데, 만약 의식 경험의 형식적 속성이 기저의 물리 시스템에 의해 완전히 설명될 수 있다면, 물리 시스템의 속성은 경험의 속성에 의해 제약되어야 한다는 것이다. 의식이 존재하기 위한 물리 시스템에 대한 제약은 알려져 있지 않으며, 분열 뇌 환자와 상당한 양의 뇌 물질이 손실된 의식 환자에 대한 연구에서 암시되었듯이 의식은 스펙트럼상에 존재할 수 있다.

IIT는 어떤 물리 시스템이, 어느 정도까지, 그리고 어떤 방식으로 의식적인지 설명하는 것을 목표로 한다. 이 이론은 경험이 존재한다는 현상학적 확실성에서 시작하여, 어떤 의식적 기판이든 충족해야 하는 필수적인 물리적 가설을 추론한다. 구체적으로, IIT는 의식 경험의 본질적인 속성("공리"라고 불림)과 그로부터 의식적 물리 시스템의 본질적인 속성("가설"이라고 불림)을 식별하려고 시도함으로써 현상학에서 메커니즘으로 나아간다.

IIT는 다음을 기반으로 한다.

* 실재론 – 세계는 경험과 독립적으로 존재한다
* 조작적 물리주의 – 물리적 존재는 차이를 만들고 받을 수 있는 능력(즉, 인과적 힘을 가짐)을 의미한다
* 원자주의 – 인과적 힘은 원칙적으로 최소 단위 간의 상호작용으로 환원될 수 있다

### 공리 및 가설
제0 공리 (경험이 존재한다)에서 시작하여 IIT는 경험의 다섯 가지 본질적 속성을 식별한다:

* 내재성 – 경험은 그 자체로 존재한다
* 정보성 – 경험은 구체적이다
* 통합성 – 경험은 단일하다
* 배제성 – 경험은 명확하다
* 구성성 – 경험은 구조화되어 있다

각 공리는 시스템의 인과 구조에 대한 물리적 가설에 매핑된다.

* 시스템은 본질적인 인과적 힘을 행사해야 한다.
* 시스템은 특정 원인 및 결과 상태를 지정해야 한다 (본질적인 정보를 통해).
* 시스템은 이를 전체로서, 환원 불가능하게 수행해야 한다 (작은 파이(φ)로 측정).
* 최대 환원 불가능 기판(복합체)만이 의식적이다.
* 그 하위 집합들은 구조화된 구별과 관계를 지정하여 Φ-구조(큰 파이(Φ))를 형성해야 한다.

### 수학적 형식주의
시스템은 모든 가능한 상태에 대한 전이 확률 행렬(TPM) T_U = p(\mathbf{u}' \mid \mathbf{u})로 설명된다. 여기에서 IIT는 다음을 정의한다.

가능한 원인/결과 상태 \tilde{s}에 대한 상태 s의 본질 정보(ii):

 \text{ii}(s, \tilde{s}) = p(\tilde{s} \mid s) \log_2 \left( \frac{p(\tilde{s} \mid s)}{p(\tilde{s})} \right) 

최소 정보 분할(MIP)에 걸친 인과 구조의 환원 불가능성으로서의 통합 정보(φ):

 \phi = \min_{\theta} \left[ \text{ii}(s, \tilde{s}) - \text{ii}_{\theta}(s, \tilde{s}) \right] 

복합체는 φ를 국소적으로 최대화하는 시스템(단위의 부분 집합)으로 정의된다. 그들의 내부 구별(메커니즘 상태) 및 관계(그들의 중첩)는 시스템의 Φ-구조(단체 복합체)를 형성한다.

 \Phi = \sum_{\text{distinctions, relations}} \phi 

\Phi는 의식의 양에 해당하며, 구별과 관계의 특정 구조는 그 질을 정의한다.

### 설명적 동일성
IIT는 설명적 동일성을 제안한다. 즉, 경험은 현재 상태의 복합체에서 펼쳐지는 인과 구조(Φ-구조)와 동일하다. 이 동일성은 상관관계가 아니라 주관적 경험이 물리적 메커니즘에서 어떻게 발생하는지에 대한 제안된 설명이다.

## 확장
적당한 크기의 시스템조차 \Phi^{\textrm{Max}}를 계산하는 것은 종종 계산적으로 다루기 어렵다. 따라서 통합 정보의 휴리스틱 또는 대리 측정치를 개발하려는 노력이 이루어졌다. 예를 들어, 오이즈미 마사후미와 동료들은 통합 정보의 실제적인 근사치인 \Phi^*와 기하학적 통합 정보 또는 \Phi^G를 개발했다. 이는 아닐 세스와 아담 배럿이 이전에 개발한 대리 측정치와 관련이 있다. 그러나 이러한 대리 측정치 중 어느 것도 실제 \Phi^{\textrm{Max}} 값과의 수학적으로 증명된 관계가 없어, 이를 사용하는 분석의 해석을 복잡하게 만든다. 매우 작은 시스템에서도 질적으로 다른 결과를 줄 수 있다.

2021년, 앵거스 렁과 동료들은 IIT의 수학적 형식주의를 신경 데이터에 직접 적용한 연구를 발표했다. 더 큰 데이터 세트와 관련된 계산상의 문제를 피하기 위해, 저자들은 초파리의 신경 개체군 활동에 초점을 맞췄다. 이 연구는 \Phi^{\textrm{Max}}가 더 작은 신경 데이터 세트에 대해 쉽게 계산될 수 있음을 보여주었다. 또한, IIT의 예측과 일치하게, 동물들이 전신 마취를 받았을 때 \Phi^{\textrm{Max}}가 유의하게 감소했다.

통합 정보를 계산할 때 중요한 계산 문제는 신경 시스템의 최소 정보 분할을 찾는 것인데, 이는 가능한 모든 네트워크 분할을 반복해야 한다. 이 문제를 해결하기 위해 다니엘 토커와 프리드리히 T. 조머는 시스템 역학의 상관 행렬 스펙트럼 분해가 최소 정보 분할에 대한 빠르고 견고한 대리 역할을 한다는 것을 보여주었다.

## 관련 실험 연구
시스템의 \Phi^{\textrm{Max}} 및 개념적 구조를 평가하기 위한 알고리즘은 비교적 간단하지만, 높은 시간 복잡도로 인해 많은 관심 시스템에 대해 계산적으로 다루기 어렵다. 휴리스틱 및 근사치를 사용하여 복잡한 시스템의 통합 정보에 대한 대략적인 추정치를 제공할 수 있지만, 정밀한 계산은 종종 불가능하다. 이러한 계산적 문제는 실험 조건에서 의식을 안정적이고 정확하게 평가하는 이미 어려운 작업과 결합되어 이론의 많은 예측을 테스트하기 어렵게 만든다.

이러한 어려움에도 불구하고 연구자들은 다양한 피험자의 의식 수준을 평가하기 위해 정보 통합 및 분화 측정치를 사용하려고 시도했다. 예를 들어, \Phi^{\textrm{Max}}에 대한 덜 계산 집약적인 대리 측정치를 사용한 최근 연구는 깨어있는 상태, 수면 상태(꿈꾸는 상태 대 꿈 없는 상태), 마취 상태, 혼수 상태(식물인간 상태 대 최소 의식 상태 대 감금 상태)의 개인에게서 다양한 의식 수준을 안정적으로 구별할 수 있었다.

이 이론은 임상신경과학에서 환자의 의식 수준을 평가하는 데 사용되는 경험적 측정치인 섭동 복잡도 지수(PCI) 개발에 실용적으로 적용되었다. PCI는 TMS-EEG 기록을 통해 뇌의 통합 정보 용량을 정량화한다.

IIT는 또한 기존의 실험적 증거와 잘 부합하며, 의식 연구의 일부 직관에 반하는 발견들을 설명하는 데 사용될 수 있는 몇 가지 예측을 한다. 예를 들어, IIT는 소뇌와 같은 일부 뇌 영역이 크기와/또는 기능적 중요성에도 불구하고 의식에 기여하지 않는 것처럼 보이는 이유를 설명하는 데 사용될 수 있다.

## 반응
통합 정보 이론은 광범위한 비판과 지지를 동시에 받았다.

### 지지
신경과학자 크리스토프 코흐는 이론의 후기 버전을 개발하는 데 기여했으며, IIT를 "의식에 대한 유일하게 진정으로 유망한 근본 이론"이라고 불렀다.

신경과학자이자 의식 연구자인 아닐 세스는 "의식 경험은 정보가 풍부하고 항상 통합되어 있다"며 "IIT에서 즉시 알 수 있는 한 가지는 우리가 의식에 대해 알고 있는 특정 사항에 대한 훌륭한 사후 설명을 얻을 수 있다는 것"이라고 말하며 몇 가지 단서를 붙여 이론을 지지한다. 그러나 그는 또한 "내가 덜 유망하다고 생각하는 IIT의 부분은 통합 정보가 실제로 의식이며, 이 둘 사이에 동일성이 있다고 주장하는 부분"이라고 주장하며, 이론의 범심론적 외삽을 비판했다.

의식의 어려운 문제 개념으로 유명한 철학자 데이비드 차머스는 IIT에 대해 약간의 열의를 표했다. 차머스에 따르면, IIT는 옳든 그르든 올바른 방향으로의 발전이다.

맥스 테그마크는 계산 뒤에 숨겨진 계산 복잡도 문제를 해결하려고 시도했다. 맥스 테그마크에 따르면 "IIT가 제안한 통합 측정치는 대규모 시스템에 대해 평가하기에 계산적으로 불가능하며, 시스템의 정보 콘텐츠와 함께 초지수적으로 증가한다." 결과적으로 Φ는 일반적으로 근사치만 가능하다. 그러나 Φ를 근사화하는 다양한 방법은 근본적으로 다른 결과를 제공한다. 다른 연구에서는 Φ가 일부 대규모 평균장 신경망 모델에서 계산될 수 있음을 보여주었지만, 이러한 대규모 시스템의 상전이를 포착하기 위해 이론의 일부 가정을 수정해야 한다.

2019년, 템플턴 재단은 IIT와 경쟁 이론(글로벌 신경 작업 공간 이론, GNWT)의 상반되는 경험적 예측을 테스트하기 위해 600만 달러 이상의 자금을 지원한다고 발표했다. 두 이론의 창시자들은 실험 프로토콜 및 데이터 분석뿐만 아니라 그들이 지지하는 이론이 결과를 올바르게 예측했는지 여부를 만족시키는 정확한 조건에 서명했다. 초기 결과는 2023년 6월에 발표되었다. GNWT의 예측 중 사전 등록에 합의된 임계값을 통과한 것은 없었으며, IIT의 예측 중 3개 중 2개가 그 임계값을 통과했다. 최종적인, 동료 검토를 거친 결과는 네이처 2025년 4월 30일 호에 게재되었다. 첨부된 사설에서 네이처 편집자들은 "결과가 처음 발표된 후, IIT가 유사과학으로 묘사된 공개 서한이 배포되었다"고 언급하며, "그러한 언어는 경쟁 그룹 간의 협력 관계를 구축하도록 설계된 과정에서 설 자리가 없다"고 덧붙였다.

2025년 3월 네이처 신경과학에 실린 "의식인가, 유사 의식인가? 두 패러다임의 충돌"이라는 논평에서 IIT 지지자들은 이론의 핵심 주장을 경험적으로 테스트한 16개의 동료 검토 논문을 열거했다. 같은 호에 실린 알렉스 고메즈-마린과 아닐 세스의 "유사과학과 유사 의식을 넘어선 의식 과학"이라는 논평은 현재의 경험적 한계에도 불구하고 IIT가 여전히 과학적으로 합법적이라고 주장했다.

### 비판
영향력 있는 철학자 존 설은 이 이론에 대해 "이론은 범심론을 암시한다"며 "범심론의 문제는 그것이 거짓이라는 것이 아니다. 그것은 거짓으로 간주될 수준에 도달하지 못한다. 어떤 명확한 개념도 주장에 주어지지 않았기 때문에 엄밀히 말해 무의미하다"고 비판했다. 설의 견해는 다른 철학자들로부터 그의 사상과 실제로 공명할 수 있는 이론을 오해하고 잘못 표현했다는 비판을 받았다.

이론 컴퓨터 과학자 스콧 애런슨은 IIT가 자체 공식화를 통해 비활성 논리 회로가 올바른 방식으로 배열되면 의식적일 뿐만 아니라 "인간보다 무한히 더 의식적일 것"임을 보여줌으로써 IIT를 비판했다. 토노니 자신도 이 평가에 동의하며, IIT에 따르면 충분히 큰 비활성 논리 회로의 더 간단한 배열도 의식적일 것이라고 주장한다. 그러나 그는 이것이 IIT의 약점이라기보다는 강점이라고 주장하는데, 왜냐하면 그것이 대뇌 피질의 상당 부분이 따르는 세포 구조이며, 특히 뇌의 뒤쪽에 해당한다는 것이다. 이는 일부 연구에 따르면 의식의 신경 해부학적 상관물로서 가장 가능성이 높다.

철학자 팀 베인은 이 이론의 공리적 기초를 비판했다. 그는 "토노니 외 연구진이 호소하는 소위 '공리'는 진정한 공리의 자격을 갖추지 못한다"고 결론 내린다.

IIT는 의식에 대한 과학 이론으로서 "자체 정의에 따라 거짓이거나 비과학적"일 수밖에 없다고 과학 문헌에서 비판받았다. IIT는 또한 의식 이론에 요구되는 기본적인 질문에 답하지 못한다는 비난을 받았다. 철학자 아담 파우츠는 "IIT 지지자들이 이 질문들에 답하지 않는 한, 그들은 참 또는 거짓으로 평가될 수 있는 명확한 이론을 제시하지 않았다"고 말한다. 경쟁 이론인 주의 스키마 이론의 지지자인 신경과학자 마이클 그라치아노는 IIT를 유사과학으로 일축한다. 그는 IIT가 "과학적 성공이나 이해의 가능성이 없는" "마법 같은 이론"이라고 주장한다. 마찬가지로, IIT는 그 주장이 "현재 과학적으로 확립되지 않았거나 테스트할 수 없다"는 비판을 받았다.

신경과학자 비외른 메르커, 데이비드 루드라프 및 철학자 케네스 윌리포드는 IIT를 여러 가지 이유로 비판하는 논문을 공동 저술했다. 첫째, IIT의 형식적 의미에서 통합과 분화를 실제로 결합하는 시스템의 모든 구성원이 의식적임을 입증하지 못했기 때문에, 높은 수준의 통합과 정보 분화를 보여주는 시스템은 의식을 위한 필요조건을 제공할 수 있지만, 이러한 속성의 조합이 의식을 위한 조건을 구성하지는 않는다는 것이다. 둘째, 측정치인 Φ는 의식 수준보다는 전역 정보 전달의 효율성을 반영하며, Φ와 각성 상태(예: 깨어있음, 꿈꾸는 수면과 꿈 없는 수면, 마취, 발작, 혼수)에 따른 의식 수준의 상관관계는 실제로 피질 활동을 위해 수행되는 효율적인 네트워크 상호작용 수준을 반영한다는 것이다. 따라서 Φ는 의식보다는 네트워크 효율성을 반영하며, 이는 피질 네트워크 효율성이 제공하는 기능 중 하나일 것이다.

2023년 9월 15일, 사전 인쇄 저장소 PsyArXiv에 발표된 124명의 학자들이 서명한 서한은 IIT가 경험적으로 테스트 가능할 때까지 유사과학으로 분류되어야 한다고 주장했다. 여러 연구자들은 이에 대해 이론을 옹호했다. "consciousness AND theor*" 쿼리로 Web of Science에서 2013년부터 2023년까지 발행된 동료 검토 논문의 모든 저자를 대상으로 익명으로 공개 설문조사를 실시했다. 60명의 응답자 중 8%는 이 서한에 "전적으로" 동의했고, 20%는 "전혀" 동의하지 않았으며, 나머지는 이 두 극단 사이에 있었다.

2025년 3월 10일자 네이처 신경과학 논평 "의식 이론을 비과학적으로 만드는 것은 무엇인가?"는 위 서한과 동일한 많은 저자들이 서명했다. 이 논평은 "IIT의 핵심 사상은 경험적 뒷받침이 부족하고 형이상학적이며 과학적이지 않다"고 주장하며, "우리가 비과학적이라고 주장하는 IIT의 핵심 주장"을 언급한다.

## 같이 보기

* 인과관계
* 의식 (심리철학)
* 글로벌 작업 공간 이론
* 의식의 어려운 문제
* 심신 문제
* 의식의 신경 상관물
* 현상학
* 현상학 (심리학)
* 심리철학
* 감각질
* 감각성

## 각주

## 외부 링크

### 관련 논문
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* 
* Integrated Information Theory: An Updated Account (2012) (First presentation of IIT 3.0) 
* 
* 

### 웹사이트
* IIT-wiki: IIT의 기초를 가르치는 것을 목표로 하는 온라인 학습 자료; 텍스트, 슬라이드쇼, 대화형 코딩 연습, 토론 및 질문 섹션 포함.
* integratedinformationtheory.org: IIT에 대한 자료를 모아 놓은 (다소 구식) 허브; PyPhi의 이전 버전에 대한 그래픽 사용자 인터페이스를 제공한다.

### 소프트웨어
* PyPhi: 통합 정보 계산을 위한 오픈 소스 파이썬 패키지.
** 그래픽 사용자 인터페이스
** Documentation

### 책
* The Feeling of Life Itself: Why Consciousness is Widespread but Can't Be Computed (크리스토프 코흐, 2019)
* Phi: A Voyage from the Brain to the Soul (줄리오 토노니, 2012)

### 뉴스 기사
* 뉴욕 타임즈 (2025): 두 가지 의식 이론이 대결했다. 심판은 고전했다.
* 뉴 사이언티스트 (2019): 의식은 어떻게 작동하는가? 급진적인 이론이 놀라운 답을 제시하다
* 노틸러스 (2017): 물질은 의식적인가?
* 에이언 (2016): 의식의 확산
* MIT 테크놀로지 리뷰 (2014): 컴퓨터가 의식적이기 위해 무엇이 필요할까 
* 와이어드 (2013): 신경과학자의 네트워크가 어떻게 의식적이 되는지에 대한 급진적인 이론
* 뉴요커 (2013): 아이폰은 얼마나 의식적일까?
* 뉴욕 타임즈 (2010): 비트로 의식 측정하기
* 사이언티픽 아메리칸 (2009): 의식의 "복합" 이론
* IEEE 스펙트럼 (2008): 이론의 한 조각: 통합 정보 이론으로서의 의식

### 강연
* 크리스토프 코흐 (2014): 의식의 통합 정보 이론
* 데이비드 차머스 (2014): 의식을 어떻게 설명할 수 있을까?

분류:정보 이론
분류:계산신경과학
분류:의식 (심리철학)