Artificial neural networks that can recover latent dynamics from recorded neural activity may provide a powerful avenue for identifying and interpreting the dynamical motifs underlying biological computation. Given that neural variance alone does not uniquely determine a latent dynamical system, interpretable architectures should prioritize accurate and low-dimensional latent dynamics. In this work, we evaluated the performance of sequential autoencoders (SAEs) in recovering latent chaotic attractors from simulated neural datasets. We found that SAEs with widely-used recurrent neural network (RNN)-based dynamics were unable to infer accurate firing rates at the true latent state dimensionality, and that larger RNNs relied upon dynamical features not present in the data. On the other hand, SAEs with neural ordinary differential equation (NODE)-based dynamics inferred accurate rates at the true latent state dimensionality, while also recovering latent trajectories and fixed point structure. Ablations reveal that this is mainly because NODEs (1) allow use of higher-capacity multi-layer perceptrons (MLPs) to model the vector field and (2) predict the derivative rather than the next state. Decoupling the capacity of the dynamics model from its latent dimensionality enables NODEs to learn the requisite low-D dynamics where RNN cells fail. Additionally, the fact that the NODE predicts derivatives imposes a useful autoregressive prior on the latent states. The suboptimal interpretability of widely-used RNN-based dynamics may motivate substitution for alternative architectures, such as NODE, that enable learning of accurate dynamics in low-dimensional latent spaces.


翻译:能够从记录的神经活动中恢复潜在动力学的人工神经网络,为识别和解释生物计算背后的动力学基序提供了强大途径。鉴于神经方差本身无法唯一确定潜在动力系统,可解释架构应优先关注准确且低维的潜在动力学。在本工作中,我们评估了序列自编码器(SAEs)从模拟神经数据集中恢复潜在混沌吸引子的性能。研究发现,采用广泛使用的基于循环神经网络(RNN)动力学的SAE无法在真实潜在状态维度下推断出准确的发放率,且更大的RNN依赖于数据中不存在的动力学特征。另一方面,采用基于神经常微分方程(NODE)动力学的SAE能在真实潜在状态维度下推断出准确发放率,同时还能恢复潜在轨迹和不动点结构。消融实验表明,这主要因为NODE(1)允许使用更高容量的多层感知机(MLP)建模向量场,以及(2)预测导数而非下一状态。将动力学模型的容量与其潜在维度解耦,使得NODE能在RNN细胞失败的情况下学习所需的低维动力学。此外,NODE预测导数这一特性对潜在状态施加了有用的自回归先验。广泛使用的基于RNN动力学的次优可解释性,可能推动其被NODE等替代架构取代,从而在低维潜在空间中实现精确动力学的学习。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
127+阅读 · 2020年11月20日
【干货书】真实机器学习,264页pdf,Real-World Machine Learning
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
167+阅读 · 2020年3月18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
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年4月9日
Arxiv
20+阅读 · 2018年10月25日
Arxiv
26+阅读 · 2018年2月27日
VIP会员
最新内容
乌克兰战场背后的新武器
专知会员服务
0+阅读 · 今天4:55
基于博弈论的陆军人机协同(长文报告)
专知会员服务
3+阅读 · 今天1:54
美国陆军航空兵:以愿景引领转型
专知会员服务
2+阅读 · 今天1:38
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
14+阅读 · 6月11日
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
5+阅读 · 6月11日
相关资讯
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员