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连续输入积分的动态神经场模型。 (英语) Zbl 1480.92021

摘要:神经系统将瞬时输入转化为持续活动变化的能力被认为是高级认知功能的基本要求。在常用于对工作记忆或决策任务建模的连续吸引子网络中,持续性活动会形成一个稳定的模式,即与集成时间或输入强度无关的“凸起”定型形状。在这里,我们研究了一个新的凹凸吸引子模型,其中凹凸宽度和振幅不仅反映了之前输入的定性和定量特征,而且还反映了更长时间尺度上证据的持续集成。该模型由两个Amari型耦合动态场方程形式化,该方程将墨西哥帽连接介导的循环相互作用与平衡激发和抑制的局部反馈机制相结合。我们分析了单凸点和多凸点解的存在性、稳定性和分支结构,并讨论了它们的输入依赖性与认知功能建模的相关性。然后,我们系统地比较了双场模型和经典Amari模型的模式形成过程。结果表明,平衡的局部反馈机制有助于多项目记忆的编码和维护。稳定阈下凸点的存在表明,与Amari模型不同,相邻凸点在横向竞争范围内的抑制效应可能不会导致信息完全丢失。此外,振幅较大的颠簸不太容易受到噪声诱导的漂移和距离相关的交互作用的影响,从而随着时间的推移产生更可靠的记忆表征。

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92秒20 生物研究、人工生命和相关主题中的神经网络
92年第35季度 与生物、化学和其他自然科学相关的PDE
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参考文献:

[1] 阿尔梅达,R。;Barbosa,J。;Compte,A.,《视觉空间工作记忆精确度的神经电路基础:计算和行为研究》,《神经生理学杂志》,114,3,1806-1818(2015)·doi:10.1152/jn.00362.2015
[2] Amari,S.,侧向抑制型神经场模式形成动力学,Biol Cybern,27,2,77-87(1977)·Zbl 0367.92005年 ·doi:10.1007/BF00337259
[3] 阿玛里,SI,神经场地形组织,《公牛数学生物学》,42,3,339-364(1980)·Zbl 0477.92008 ·doi:10.1016/S0092-8240(80)80055-3
[4] Avitable D(2016)空间扩展系统中相干结构的数值计算。第二届数学神经科学国际会议,Antibes Juan-les-Pins,2016
[5] 马萨诸塞州巴索;Wurtz,RH,目标不确定性对神经元活动的调节,Nat,389,6646,66-69(1997)·doi:10.1038/37975
[6] 隔间,PM;Taylor,R.,视觉工作记忆中回顾性注意的神经模型,认知心理学,10043-52(2018)·doi:10.1016/j.cogpsych.2017.12.001
[7] Bicho,E。;Mallet,P。;Schöner,G.,带有低电平传感器的自动车辆上的目标表示,国际机器人研究杂志,19,5,424-447(2000)·doi:10.1177/02783640022066950
[8] Bogacz,R.,《最佳决策理论:将神经生物学与行为联系起来》,《认知科学趋势》,第11、3、118-125页(2007年)·doi:10.1016/j.tics.2006.12.006
[9] 布罗迪,CD;埃尔南德斯,A。;Zainos,A。;Romo,R.,猕猴前额叶皮层体感参数工作记忆的时间和神经编码,大脑皮层,13,11,1196-1207(2003)·doi:10.1093/cercor/bhg100
[10] 布罗迪,CD;罗莫,R。;Kepecs,A.,分级持续性活动的基本机制:离散吸引子、连续吸引子和动态表征,《当代神经生理学》,13,2,204-211(2003)·doi:10.1016/S0959-4388(03)00050-3
[11] 凯恩,N。;阿拉斯加州巴雷罗;沙德伦,M。;Shea-Brown,E.,《用于决策的神经积分器:稳健性和敏感性之间的有利权衡》,《神经生理学杂志》,109,10,2542-2559(2013)·doi:10.1152/jn.00976.2012
[12] 坎佩里,M。;Wang,XJ,前额叶皮层视觉空间工作记忆模型:循环网络和细胞双稳态,计算机神经科学杂志,5,4,383-405(1998)·Zbl 0918.92007号 ·doi:10.1023/A:1008837311948
[13] Carandini,M。;DJ Heeger,《规范化作为一种典型的神经计算》,《Nat Rev Neurosci》,第13、1、51-62页(2012年)·数字对象标识代码:10.1038/nrn3136
[14] 卡罗尔,S。;Josić,K。;Kilpatrick,ZP,肿块吸引子中的编码确定性,《计算机神经科学杂志》,37,1,29-48(2014)·兹比尔1382.92043 ·doi:10.1007/s10827-013-0486-0
[15] Compte,A。;布鲁内尔,N。;Goldman-Rakic,PS;Wang,XJ,皮层网络模型中空间工作记忆的突触机制和网络动力学,大脑皮层,10,9,910-923(2000)·doi:10.1093/cercor/10.910
[16] 康斯坦丁尼迪斯,C。;Wang,XJ,空间工作记忆的神经回路基础,Neurosci,10,6,553-565(2004)
[17] 康斯坦丁尼迪斯,C。;明尼苏达州弗朗诺维奇;Goldman-Rakic,PS,灵长类前额叶皮层记忆表征的感觉本质,《国家神经科学》,4,3,311-316(2001)·doi:10.1038/85179
[18] CE柯蒂斯;Lee,D.,《超越工作记忆:持续活动在决策中的作用》,《趋势认知科学》,第14、5、216-222页(2010年)·doi:10.1016/j.tics.2010.03.006
[19] 丹耶夫,S。;Machens,CK,《高效代码和平衡网络》,Nat Neurosci,19,3,375-382(2016)·doi:10.1038/nn.4243
[20] 艾丁·F。;Klingberg,T。;Johansson,P。;McNab,F。;Tegnér,J。;Compte,A.,《自上而下控制工作记忆容量的机制》,科学院院刊,106,16,6802-6807(2009)·doi:10.1073/pnas.0901894106
[21] 埃尔哈根,W。;Bicho,E.,认知机器人的动态神经场方法,神经工程杂志,3,36-54(2006)·doi:10.1088/1741-2560/3/3/R02
[22] 埃尔哈根,W。;Schöner,G.,运动准备的动态场理论,《心理评论》,109,3545(2002)·doi:10.1037/0033-295X.109.3.545
[23] 埃尔哈根,W。;Bastian,A。;Jancke,D。;Riehle,A。;Schöner,G.,《神经元群激活(DPA)的分布作为研究皮层表征中相互作用和整合的工具》,《神经科学方法杂志》,94,1,53-66(1999)·doi:10.1016/S0165-0270(99)00125-9
[24] 费雷拉,F。;埃尔哈根,W。;Bicho,E.,具有外部输入的神经场模型中的多泵解,《物理D:非线性现象》,32632-51(2016)·Zbl 1364.35409号 ·doi:10.1016/j.physd.2016.01.009
[25] Ferreira F、Wojtak W、Sousa E、Louro L、Bicho E、Erlhagen W(2020)《具有时间约束的复杂序列的快速学习:动态神经场模型》
[26] Fotouhi先生。;海达里,M。;Sharifitabar,M.,带窗口Hebbian学习的连续神经网络,Biol Cybern,109,3,321-332(2015)·兹比尔1344.92035 ·doi:10.1007/s00422-015-0645-7
[27] French,DA,神经元网络活动积分微分方程模型中自由能泛函的识别,Appl Math Lett,17,9,1047-1051(2004)·Zbl 1070.45008号 ·doi:10.1016/j.aml.2004.07.007
[28] Gazzaley,A。;Nobre,AC,自上而下的调制:桥接选择性注意力和工作记忆,Trends Cogn Sci,16,21229-135(2012)·doi:10.1016/j.tics.2011.11.014
[29] 海德,B。;McCormick,DA,《快速新皮质动力学:细胞和网络机制》,《神经元》,62,2,171-189(2009)·doi:10.1016/j.neuron.2009.04.008
[30] DO Hebb,《行为的组织:神经心理学理论》(1949),纽约:查普曼和霍尔,J威利出版社,纽约
[31] Histed,MH;Pasupathy,A。;Miller,EK,《灵长类前额叶皮层和纹状体的学习基质:与成功动作相关的持续活动》,《神经元》,63,2,244-253(2009)·doi:10.1016/j.neuron.2009.06.019
[32] Jancke,D。;埃尔哈根,W。;人力资源部Dinse;AC阿哈万;吉泽,M。;斯坦哈格,A。;Schöner,G.,视网膜位置的参数总体表示:猫初级视觉皮层中的神经元相互作用动力学,《神经科学杂志》,19,20,9016-9028(1999)·doi:10.1523/JNEUROSCI.19-20-09016.1999
[33] 约翰逊,JS;斯宾塞,JP;幸运,SJ;Schöner,G.,视觉工作记忆和变化检测的动态神经场模型,《心理科学》,20,5,568-577(2009)·文件编号:10.1111/j.1467-9280.2009.02329.x
[34] Kiani,R。;明尼苏达州沙德伦,《与顶叶皮层神经元决策相关的信心表征》,《科学》,第324、5928、759-764页(2009年)·doi:10.1126/science.1169405
[35] 基尔帕特里克,ZP;Ermentrout,B.,《随机神经场中的徘徊颠簸》,SIAM J Appl Dyn Syst,12,1,61-94(2013)·Zbl 1278.92007年 ·数字对象标识代码:10.1137/120877106
[36] AA库拉科夫;Raghavachari,S。;Kepecs,A。;Lisman,JE,鲁棒神经积分器模型,Nat Neurosci,5,8775-782(2002)·数字对象标识代码:10.1038/nn893
[37] 北卡罗来纳州克里希南。;投票,DB;Kilpatrick,ZP,Synaptic efficience shapes resource limitions in working memory,计算机神经科学杂志,44,3,273-295(2018)·Zbl 1402.92095号 ·doi:10.1007/s10827-018-0679-7
[38] 久保田,S。;Aihara,K.,《分析神经场模型的全球动力学》,神经过程Lett,21,2,133-141(2005)·doi:10.1007/s11063-004-3425-2
[39] Kuo,不列颠哥伦比亚省;斯托克斯,MG;Nobre,AC,《注意力调节视觉短时记忆中表征的维持》,《认知神经科学杂志》,24,1,51-60(2012)·doi:10.1162/jocna_00087
[40] 赖恩,CR;Troy,WC,神经元模式形成的Amari型模型的二次碰撞解决方案,《物理D:非线性现象》,178,3-4,190-218(2003)·Zbl 1011.92007年 ·doi:10.1016/S0167-2789(03)00013-7
[41] Lim,S。;Goldman,MS,《维持工作记忆信息的平衡皮层微电路》,《国家神经科学》,16,9,1306-1314(2013)·doi:10.1038/nn.3492
[42] 林,PH;Luck,SJ,《相似性对视觉工作记忆表征的影响》,《视觉认知》,17,3,356-372(2009)·doi:10.1080/13506280701766313
[43] 马,WJ;Jazayeri,M.,《不确定性和概率的神经编码》,《神经科学年度评论》,第37期,第205-220页(2014年)·doi:10.1146/anurev-neuro-071013-014017
[44] Masse,纽约州;罗森,MC;DJ Freedman,重新评估持续性神经活动在短期记忆中的作用,《认知科学趋势》,24,3,242-258(2020)·doi:10.1016/j.tics.2019.12.014
[45] 密勒,EK;Cohen,JD,《前额叶皮层功能的综合理论》,《神经科学年度评论》,24,1,167-202(2001)·doi:10.1146/annurev.neuro.24.1.167
[46] 蒙吉洛,G。;O.巴拉克。;Tsodyks,M.,工作记忆的突触理论,《科学》,31958691543-1546(2008)·doi:10.1126/科学.1150769
[47] JD穆雷;Anticevic,A。;Gancsos,M。;Ichinose,M。;公关Corlett;Krystal,JH;Wang,XJ,《将微电路功能障碍与认知障碍联系起来:皮层工作记忆模型中与精神分裂症相关的去抑制效应》,Cereb Cortex,24,4,859-872(2014)·doi:10.1093/cercor/bhs370
[48] 欧文,MR;赖恩,CR;Coombes,S.,《二维神经场中的凹凸和环:分裂和旋转不稳定性》,《新物理学杂志》,9,10,378(2007)·doi:10.1088/1367-2630/9/10/378
[49] 齐,XL;Meyer,T。;斯坦福,TR;Constantinidis,C.,学习执行空间工作记忆任务后前额叶神经元活动的变化,大脑皮层,21,1272722-2732(2011)·doi:10.1093/cercor/bhr058
[50] Rankin,J。;Avitabile,D。;Baladron,J。;费伊,G。;Lloyd,DJ,非局部神经场方程中局域相干结构的延续,SIAM科学计算杂志,36,1,B70-B93(2014)·2015年12月13日 ·doi:10.1137/130918721
[51] 罗兹,BJ;布洛克,D。;Verwey,WB;Averbeck,BB;佩奇,MP,《运动序列的学习和生成:行为、神经生理学和建模视角》,《人类运动科学》,23,5,699-746(2004)·doi:10.1016/j.humov.2004.10.008
[52] 罗尔斯,ET;Dempere Marco,L.公司。;Deco,G.,《在短期记忆中保持多项:一种神经机制》,《PLOS ONE,8,4,e61078》(2013)·doi:10.1371/journal.pone.0061078
[53] 罗斯,NS;JJ LaRocque;AC里格尔;戈塞莱斯,O。;斯塔雷特,MJ;爱沙尼亚州迈耶林;Postle,BR,用经颅磁刺激激活潜在工作记忆,Sci,354,6316,1136-1139(2016)·doi:10.1126/science.aah7011
[54] Sakai,Y。;冈本,H。;Fukai,T.,决策过程背后的计算算法和神经网络模型,神经网络,19,8,1091-1105(2006)·Zbl 1103.68722号 ·doi:10.1016/j.neunet.2006.05.034
[55] 施尼根,S。;Bays,PM,fMRI可解性的恢复并不意味着潜在的工作记忆状态,认知神经科学杂志,29,12,1977-1994(2017)·doi:10.1162/jocna_01180
[56] Schöner,G.,《动态思维:动态场理论入门》(2016),牛津:牛津大学出版社,牛津
[57] Seung,HS,连续吸引子和眼动控制,神经网络,11,7-8,1253-1258(1998)·doi:10.1016/S0893-6080(98)00064-1
[58] 索托,D。;Mäntylä,T。;Silvanto,J.,无意识工作记忆,Curr Biol,21,22,R912-R913(2011)·doi:10.1016/j.cub.2011.09.049
[59] Souza,AS;Oberauer,K.,《寻找工作记忆中的注意力焦点:13年的复古效应》,《艾登感知心理》,78,7,1839-1860(2016)·doi:10.3758/s13414-016-1108-5
[60] 斯普拉格,TC;酯类,EF;Serences,JT,《恢复人类皮层的潜在视觉工作记忆表征》,《神经元》,91,3,694-707(2016)·doi:10.1016/j.neuron.2016.07.006
[61] 萨特勒,DW;福斯特,JJ;亚当,KC;沃格尔,EK;Awh,E.,《项目特异性延迟活动证明了工作记忆中多种主动神经表征的并发存储》,《PLOS生物学》,17,4,e3000239(2019)·doi:10.1371/journal.pbio.3000239
[62] Trübutschek博士。;马蒂,S。;奥杰达,A。;金,JR;Mi,Y。;Tsodyks,M。;Dehaene,S.,《没有意识或持续活动的工作记忆理论》,Elife,6,e23871(2017)·doi:10.7554/eLife.23871
[63] 沃库恩,CR;黄,X。;杰克逊,MB;Basso,MA,上丘浅层的反应正常化是扫视平均化的可能机制,《神经科学杂志》,34,23,7976-7987(2014)·doi:10.1523/JNEUROSCI.3022-13.2014
[64] Wang,XJ,《持续性神经活动:实验和理论》,大脑皮层,13,11,1123-1123(2003)·doi:10.1093/cercor/bhg112
[65] 王,Z。;Kruijne,W。;Theeuwes,J.,在神经场模型中,上丘的侧向相互作用会产生眼跳偏差,Vis-Res,62,66-74(2012)·doi:10.1016/j.visres.2012.03.024
[66] 魏,Z。;Wang,许继;Wang,DH,从分布式资源到多项目工作记忆中的有限插槽:一个具有归一化的尖峰网络模型,神经科学杂志,32,33111228-11240(2012)·doi:10.1523/JNEUROSCI.0735-12.2012
[67] Wildegger,T。;汉弗莱斯,G。;Nobre,AC,回顾性注意与刺激强度相互作用以塑造工作记忆绩效,《公共科学图书馆综合》,11,10,e0164174(2016)·doi:10.1371/journal.pone.0164174
[68] Wilimzig,C。;施耐德,S。;Schöner,G.,《扫视决策的时间过程:动态场理论》,神经网络,19,8,1059-1074(2006)·兹比尔1103.68820 ·doi:10.1016/j.neunet.2006.03.003
[69] Wimmer,K。;Nykamp,DQ;康斯坦丁尼迪斯,C。;Compte,A.,《前额叶皮层的撞击吸引子动力学解释了空间工作记忆中的行为精确性》,《国家神经科学》,17,3,431-439(2014)·doi:10.1038/nn.3645
[70] Wojtak W,Coombes S,Bicho E,Erlhagen W(2016)在动态神经场模型中结合空间和参数工作记忆。In:人工神经网络和机器学习-ICANN 2016,计算机科学讲稿,Springer,第9886卷,第411-418页
[71] Wojtak W、Ferreira F、Bicho E、Erlhagen W(2019)测量和再现时间间隔的神经场模型。收录:Tetko IV、KůrkováV、Karpov P、Theis F(eds)《人工神经网络和机器学习-ICANN 2019:理论神经计算》。施普林格国际出版公司,查姆,第327-338页
[72] 沃伊塔克,W。;费雷拉,F。;Vicente,P。;卢罗,L。;Bicho,E。;Erlhagen,W.,机器人助手规划和基于价值的决策的神经集成模型,神经计算应用,33,3737-3756(2021)·doi:10.1007/s00521-020-05224-8
[73] Wu,S。;滨口,K。;Amari,Si,《连续吸引子的动力学和计算》,神经计算,20,4,994-1025(2008)·兹比尔1148.68450 ·doi:10.1162/neco.2008.10-06-378
[74] Zylberberg,J。;Strowbridge,BW,《皮层回路中持续活动的机制:工作记忆的可能神经基质》,《神经科学年度评论》,40,603-627(2017)·doi:10.1146/anurev-neuro-070815-014006
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