Neural Granger Causality

格兰杰因果关系 人工智能 计算机科学 机器学习 感知器 非线性系统 人工神经网络 时间序列 Lasso(编程语言) 模式识别(心理学) 物理 量子力学 万维网
作者
Alex Tank,Ian Covert,Nicholas J. Foti,Ali Shojaie,Emily B. Fox
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [IEEE Computer Society]
卷期号:: 1-1 被引量:146
标识
DOI:10.1109/tpami.2021.3065601
摘要

While most classical approaches to Granger causality detection assume linear dynamics, many interactions in real-world applications, like neuroscience and genomics, are inherently nonlinear. In these cases, using linear models may lead to inconsistent estimation of Granger causal interactions. We propose a class of nonlinear methods by applying structured multilayer perceptrons (MLPs) or recurrent neural networks (RNNs) combined with sparsity-inducing penalties on the weights. By encouraging specific sets of weights to be zero-in particular, through the use of convex group-lasso penalties-we can extract the Granger causal structure. To further contrast with traditional approaches, our framework naturally enables us to efficiently capture long-range dependencies between series either via our RNNs or through an automatic lag selection in the MLP. We show that our neural Granger causality methods outperform state-of-the-art nonlinear Granger causality methods on the DREAM3 challenge data. This data consists of nonlinear gene expression and regulation time courses with only a limited number of time points. The successes we show in this challenging dataset provide a powerful example of how deep learning can be useful in cases that go beyond prediction on large datasets. We likewise illustrate our methods in detecting nonlinear interactions in a human motion capture dataset.
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