Developing computational models of neural response is crucial for understanding sensory processing and neural computations. Current state-of-the-art neural network methods use temporal filters to handle temporal dependencies, resulting in an unrealistic and inflexible processing paradigm. Meanwhile, these methods target trial-averaged firing rates and fail to capture important features in spike trains. This work presents the temporal conditioning spiking latent variable models (TeCoS-LVM) to simulate the neural response to natural visual stimuli. We use spiking neurons to produce spike outputs that directly match the recorded trains. This approach helps to avoid losing information embedded in the original spike trains. We exclude the temporal dimension from the model parameter space and introduce a temporal conditioning operation to allow the model to adaptively explore and exploit temporal dependencies in stimuli sequences in a {\it natural paradigm}. We show that TeCoS-LVM models can produce more realistic spike activities and accurately fit spike statistics than powerful alternatives. Additionally, learned TeCoS-LVM models can generalize well to longer time scales. Overall, while remaining computationally tractable, our model effectively captures key features of neural coding systems. It thus provides a useful tool for building accurate predictive computational accounts for various sensory perception circuits.


翻译:为理解感觉处理与神经计算,开发神经响应的计算模型至关重要。当前最先进的神经网络方法使用时间滤波器处理时间依赖性,导致不现实且僵硬的处理范式。同时,这些方法针对试次平均的发放率,未能捕捉脉冲序列中的重要特征。本文提出时间条件化脉冲潜变量模型(TeCoS-LVM)模拟对自然视觉刺激的神经响应。我们使用脉冲神经元直接生成与记录序列相匹配的脉冲输出,从而避免丢失原始脉冲序列中嵌入的信息。我们将时间维度从模型参数空间中移除,并引入时间条件化操作,使模型能够以"自然范式"自适应地探索和利用刺激序列中的时间依赖性。研究显示,TeCoS-LVM模型相比其他强大替代方法,能生成更逼真的脉冲活动并精准拟合脉冲统计特性。此外,学得的TeCoS-LVM模型可良好泛化至更长的时间尺度。总体而言,在保持计算可追踪性的同时,我们的模型有效捕捉了神经编码系统的关键特征,为构建多种感觉感知回路的精确预测性计算模型提供了实用工具。

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