Neural circuits are composed of multiple regions, each with rich dynamics and engaging in communication with other regions. The combination of local, within-region dynamics and global, network-level dynamics is thought to provide computational flexibility. However, the nature of such multiregion dynamics and the underlying synaptic connectivity patterns remain poorly understood. Here, we study the dynamics of recurrent neural networks with multiple interconnected regions. Within each region, neurons have a combination of random and structured recurrent connections. Motivated by experimental evidence of communication subspaces between cortical areas, these networks have low-rank connectivity between regions, enabling selective routing of activity. These networks exhibit two interacting forms of dynamics: high-dimensional fluctuations within regions and low-dimensional signal transmission between regions. To characterize this interaction, we develop a dynamical mean-field theory to analyze such networks in the limit where each region contains infinitely many neurons, with cross-region currents as key order parameters. Regions can act as both generators and transmitters of activity, roles that we show are in conflict. Specifically, taming the complexity of activity within a region is necessary for it to route signals to and from other regions. Unlike previous models of routing in neural circuits, which suppressed the activities of neuronal groups to control signal flow, routing in our model is achieved by exciting different high-dimensional activity patterns through a combination of connectivity structure and nonlinear recurrent dynamics. This theory provides insight into the interpretation of both multiregion neural data and trained neural networks.


翻译:神经回路由多个区域组成,每个区域具有丰富的动力学特性,并与其他区域进行通信。局部区域内部动力学与全局网络层面动力学的结合被认为提供了计算灵活性。然而,这种多区域动力学的本质及其背后的突触连接模式仍知之甚少。本文研究了具有多个互连区域的递归神经网络的动力学特性。在每个区域内,神经元具有随机和结构化递归连接的组合。受皮层间通信子空间实验证据的启发,这些网络在区域间采用低秩连接,从而实现对活动的选择性路由。这些网络表现出两种相互作用的动力学形式:区域内部的高维波动与区域间的低维信号传输。为刻画这种相互作用,我们发展了一种动力学平均场理论,在假设每个区域包含无限多神经元的极限下分析此类网络,并将跨区域电流作为关键序参量。区域既可充当活动的生成器,也可作为活动的传输器,我们证明这两种角色存在冲突。具体而言,抑制区域内部活动的复杂性是实现区域间信号路由的必要条件。与以往通过抑制神经元群体活动来控制信号流的神经回路路由模型不同,本研究中的路由通过连接结构与非线性递归动力学的组合,激发不同的高维活动模式来实现。该理论为多区域神经数据及训练后的神经网络解释提供了深刻见解。

0
下载
关闭预览

相关内容

Networking:IFIP International Conferences on Networking。 Explanation:国际网络会议。 Publisher:IFIP。 SIT: http://dblp.uni-trier.de/db/conf/networking/index.html
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
学习自然语言处理路线图
专知会员服务
140+阅读 · 2019年9月24日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
18+阅读 · 2021年3月16日
Arxiv
10+阅读 · 2020年11月26日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
3+阅读 · 6月17日
相关资讯
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员