幾何学的ディープラーニングで脳のダイナミクスを解読 (A geometric deep learning method for decoding brain dynamics)

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2025-02-18 スイス連邦工科大学ローザンヌ校 (EPFL)

スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)の研究者たちは、幾何学的ディープラーニング手法「MARBLE(Manifold Representation Basis Learning)」を開発しました。 この手法は、複数の被験者や実験条件における神経集団活動を統一的に解析し、脳の動的パターンを明らかにするものです。MARBLEは、神経活動の電気的信号を動的なパターン(モチーフ)に分解し、幾何学的ニューラルネットワークを用いてこれらを学習します。マカクザルの運動前野やラットの海馬での実験では、異なる個体が同じ課題を遂行する際、脳活動のダイナミクスが共通のモチーフで構成されていることが示されました。このアプローチにより、個々のニューロン活動から高精度で運動を予測することが可能となり、神経科学だけでなく、他の生命科学や物理科学分野におけるデータ解析にも応用が期待されています。

<関連情報>

MARBLE:幾何学的深層学習を用いた神経集団ダイナミクスの解釈可能な表現 MARBLE: interpretable representations of neural population dynamics using geometric deep learning

Adam Gosztolai,Robert L. Peach,Alexis Arnaudon,Mauricio Barahona & Pierre Vandergheynst
Nature Methods  Published:17 February 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41592-024-02582-2

幾何学的ディープラーニングで脳のダイナミクスを解読 (A geometric deep learning method for decoding brain dynamics)

Abstract

The dynamics of neuron populations commonly evolve on low-dimensional manifolds. Thus, we need methods that learn the dynamical processes over neural manifolds to infer interpretable and consistent latent representations. We introduce a representation learning method, MARBLE, which decomposes on-manifold dynamics into local flow fields and maps them into a common latent space using unsupervised geometric deep learning. In simulated nonlinear dynamical systems, recurrent neural networks and experimental single-neuron recordings from primates and rodents, we discover emergent low-dimensional latent representations that parametrize high-dimensional neural dynamics during gain modulation, decision-making and changes in the internal state. These representations are consistent across neural networks and animals, enabling the robust comparison of cognitive computations. Extensive benchmarking demonstrates state-of-the-art within- and across-animal decoding accuracy of MARBLE compared to current representation learning approaches, with minimal user input. Our results suggest that a manifold structure provides a powerful inductive bias to develop decoding algorithms and assimilate data across experiments.

生物工学一般
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