Winter-My-Dream丨作者

近日，一項發(fā)表于《Science Advances》的研究揭示了大腦皮層神經(jīng)元如何在高度多變的活動中實現(xiàn)可靠信息處理的動力學機制。研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)異質(zhì)性通過抑制神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)部固有相干模式、提升局部響應敏感性，并誘導輸入信號從屬的暫態(tài)動力學形成對輸入信號的可靠表征與信息處理，為理解大腦在復雜環(huán)境下的可靠計算提供了統(tǒng)一的理論框架。這一成果不僅深化了對神經(jīng)異質(zhì)性功能的認識，還為神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的設計提供了新的啟示。

可靠信息處理的關鍵：

神經(jīng)異質(zhì)性與輸入從屬暫態(tài)動力學

大腦神經(jīng)元如同交響樂團中的樂手，形態(tài)、特性和連接方式各異，演奏出看似雜亂的“神經(jīng)交響曲”。長期以來，這種異質(zhì)性被認為是大腦功能復雜性和靈活性的源泉，但其如何在信息處理中協(xié)調(diào)神經(jīng)活動高度多變性與可靠表征之間的矛盾，尚缺乏系統(tǒng)性解釋。通過構建生物學上合理的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡模型，研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)異質(zhì)性能夠抑制神經(jīng)網(wǎng)絡固有的時空相干模式，使神經(jīng)元活動對外部輸入更具響應性。這一機制顯著提升了局部神經(jīng)元的敏感性，并誘導形成與輸入密切相關的暫態(tài)動力學。這種動力學在高維神經(jīng)活動空間中生成輸入從屬的軌跡，確保信息表征的可靠性。“想象一下，群體神經(jīng)元活動就像水面上的波動，外部輸入激起漣漪，而異質(zhì)性使這些漣漪既能靈活捕捉輸入特征，又能維持表征的可靠性，”論文作者解釋說。

圖1：研究工作概覽圖。 (a)異質(zhì)性脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡模型。(b)神經(jīng)異質(zhì)性對網(wǎng)絡的動力學的影響。(c)動態(tài)模式分解 (DMD) 分析網(wǎng)絡時空模式。(d)異質(zhì)性增強網(wǎng)絡的信息表征可靠性。

神經(jīng)形態(tài)計算的前景：

神經(jīng)異質(zhì)性啟發(fā)的模型優(yōu)化

這一研究不僅揭示了神經(jīng)異質(zhì)性在可靠信息處理中的動力學機制，還為神經(jīng)形態(tài)計算模型的優(yōu)化設計提供了新啟示。研究團隊提出，基于神經(jīng)異質(zhì)性的儲備池計算模型通過輸入從屬的暫態(tài)動力學，增強了系統(tǒng)對復雜輸入信號的動態(tài)表征能力。這種方法通過神經(jīng)異質(zhì)性提升了儲備池的計算性能，在較少算力和數(shù)據(jù)支持下實現(xiàn)了對復雜信號的可靠重構和預測。研究驗證了該模型在降低算力需求和能耗方面的潛力，為開發(fā)高效、低功耗的神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)提供了理論支持。

之江實驗室研究專家楊冬平為該論文唯一通訊作者，高級研究專員吳生礅為該論文第一作者，之江實驗室為第一完成單位，該研究受到國家自然科學基金面上項目、浙江省自然科學基金重點項目和之江實驗室 PI啟動項目資助。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr3903

神經(jīng)動力學模型讀書會

為了促進神經(jīng)科學、系統(tǒng)科學以及計算機科學等多領域?qū)W術工作者的交流合作，吸引更多朋友共同探索腦科學與類腦研究，周昌松、臧蘊亮、楊冬平、郭大慶、陳育涵、曹淼、劉泉影、王大輝、劉健、王鑫迪等來自國內(nèi)外多所知名高校的專家學者在集智俱樂部共同發(fā)起「 」讀書會，歷時四個月研討，近日圓滿結束。

本季讀書會形成了聚集500+成員的神經(jīng)動力學社區(qū)，積累了40+小時綜述、解讀、研討的視頻記錄，以及多篇社區(qū)成員總結的詞條、筆記、翻譯、科普資料等。現(xiàn)在報名加入讀書會，即可加入社區(qū)交流討論（微信），并解鎖相關視頻、文本資料。我們對腦的探索才剛剛起航，歡迎你一道參與，共同點亮更多腦科學研究的島嶼！

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