Confidence and second-order errors in cortical circuits
推导了最小化预测误差的皮层神经动力学，提出基于置信度动态调节信息流并引入二阶误差来学习置信度突触权重，为皮层回路提供了功能解释与实验方向。
2024-03-26 cs.NE q-bio.NC
Emergent tuning heterogeneity in cortical circuits is sensitive to cellular neuronal dynamics
针对皮层回路中涌现的调谐异质性，提出一种特征调谐平衡态网络解析框架，允许突触后电流和细胞兴奋性存在多样异质性，为神经回路推断提供了严格且精确的理论基础。
2025-11-05 physics.bio-ph q-bio.NC
Cortical Microcircuits from a Generative Vision Model
Vicarious AI（Vicarious人工智能公司）
了解皮质回路的信息处理作用是神经科学和人工智能领域的一个突出问题。贝叶斯推断的理论设置已被建议作为理解皮层计算的框架。基于最近发表的用于视觉推理的生成模型（George等人，2017），我们推导出一系列解剖学实例化和功能性皮层电路模型。与简单的贝叶斯推断模型相比，底层生成模型的代表性选择通过需要高效推理和强大泛化的现实任务进行验证。皮质电路模型是通过系统地比较该模型的计算要求与已知的解剖约束。推导出的模型建议精确的前馈，反馈和横向连接在不同的椎板和列中观察到的功能作用，并分配一个计算的作用，通过丘脑的路径。
2018-08-03 cs.CV q-bio.NC
Coordinated optimization of visual cortical maps (II) Numerical studies
视觉皮层结构的空间结构可以通过多个视觉皮层图的协调优化来解释，这是一个很有吸引力的假设，这些视觉皮层图表示方向偏好（OP）、眼优势（OD）、空间频率或方向偏好。在本研究的第（I）部分中，我们定义了一类易于分析的协调优化模型，并解决了代表性的例子，其中一个空间复杂的组织的方向偏好地图是由地图间的相互作用。我们发现，吸引子的解决方案附近的对称性破缺阈值预测一个高度有序的地图布局，并需要一个实质性的OD偏置OP风车稳定。在这里，我们研究在数值模拟中，这些模型是否表现出生物更现实的空间不规则的解决方案，在一个有限的距离阈值和吸引子状态的瞬态时被认为是。我们还研究了当两个地图的空间周期失谐时，以及当考虑2个以上的特征维度时，模型行为是否发生了质的变化。我们的数值计算结果支持这样的观点，即我们的协调优化模型的最小能量状态和中间瞬态都不能成功地解释视觉皮层的空间不规则结构。我们讨论了几种替代方案和其他因素，可能会提高模型的解决方案和生物观测之间的协议。
2012-01-23 q-bio.NC
Neural wave interference and intrinsic tuning in distributed excitatory-inhibitory networks
我们开发了一个模型的皮质计算，实现皮质电路的关键功能，并能够描述在空间分布的刺激皮质位置之间的神经信号的传播。该模型是基于典型的神经回路，包括兴奋性和抑制性细胞通过相互连接，与经常性反馈相互作用。典型电路被用作分布式网络中的节点，节点之间具有最近邻耦合。我们发现，这个系统的特点是由内在的空间频率偏好。优选频率的值取决于细胞之间的兴奋性和抑制性连接的相对权重。这种兴奋和抑制的平衡随着刺激对比度的增加而改变，这就是为什么预测固有空间频率以由刺激时间频率确定的方式随着对比度而改变。网络偏好的动态与警觉猕猴皮层区MT的特性一致。
2018-10-20 q-bio.NC
Combining cortical voltage imaging and hippocampal electrophysiology for investigating global, multi-time scale activity interactions in the brain
新一代分析神经活动的分子工具有助于阐明神经科学中的经典开放问题。随着增强的GEVI和先进的光学成像技术，电压成像技术已越来越多地用于观察大型电路的动态。在这一章中，我们描述了如何结合大脑皮层宽场电压成像与海马电生理清醒行为的小鼠。此外，我们强调这种方法如何可以用于不同的可能的调查。
2021-12-06 q-bio.NC
Macroscopic cortical dynamics: Spatially uncorrelated but temporally coherent rich-club organisations in source-space resting-state EEG
神经元群的同步振荡支持静息态皮层活动。最近的研究表明，静息态功能连接不是静态的，而是呈现复杂的动态变化。皮层活动的复杂动力学机制尚未得到很好的表征。在这里，我们直接应用奇异值分解（SVD）在源重建的脑电图（EEG），以体现动态的休息状态的功能连接的时空模式。我们发现，静息态功能连接的变化与不同的复杂的拓扑特征，“富俱乐部组织”，默认模式网络，显着性网络，和电机网络。显著性网络的Rich-club拓扑结构揭示了腹外侧前额叶皮层和前额叶皮层之间更大的功能连接，而默认模式网络的Rich-club拓扑结构揭示了额顶叶和后额叶皮层之间的双侧功能连接。这些源空间网络模式的富俱乐部组织的动力学的谱分析表明，静息状态的皮层活动表现出不同的动力学制度，其内在的表达包含快速振荡的α-β带和与$<0.1$ Hz的时标的振荡信号。因此，我们的研究结果表明，多变量特征分解的源重建的EEG是一个可靠的计算技术，探讨如何动态的时空特征的休息状态皮层活动发生在不同的频率振荡。
2020-07-28 nlin.AO q-bio.NC
Decoding the circuitry of consciousness: from local microcircuits to brain-scale networks
识别意识出现和维持的生理过程是神经科学最基本的问题之一，其影响范围从基础神经科学到意识障碍（DOC）患者的治疗。一个主要的挑战是了解从局部网络到大脑规模网络的完全不同的空间尺度上的皮层回路如何协同运作以实现意识，以及这些过程如何在DOC患者中受损。在这篇综述中，我们试图将现有的神经生理学和临床数据与现有的意识理论模型联系起来，同时将微观和宏观电路水平联系起来。首先，我们一方面解决意识和觉醒之间的关系，另一方面解决皮质-皮质和丘脑-皮质连接之间的关系。其次，我们讨论了三种主要类型的GABA能中间神经元在负责功能网络动态重组的特定电路中的作用。第三，我们探索嵌套振荡的神经同步和通信的功能作用的进展，强调本地（高频）和远程（低频）活动之间的平衡的重要性，有效的信息处理。这些理论考虑的临床意义。我们认为，这种细胞尺度的机制可以扩展目前的意识理论。
2019-07-26 q-bio.NC
Building functional and mechanistic models of cortical computation based on canonical cell type connectivity
Department of Physiology, University of Bern, Switzerland（伯尔尼大学生理学系）；Graduate School for Cellular and Biomedical Sciences, University of Bern, Switzerland（伯尔尼大学细胞与生物医学科学研究生院）；Center for Artificial Intelligence in Medicine, University of Bern, Switzerland（伯尔尼大学人工智能医学中心）
本文从皮层细胞类型承担不同计算角色、以及细胞类型间连接可用少数规范蓝图刻画这两个原则出发，提出了构建皮层回路功能与机制模型的通用框架。
2026-11-02 cs.NE q-bio.NC
State-dependent regulation of cortical processing speed via gain modulation
为了在动态环境中茁壮成长，动物必须能够快速灵活地适应不断变化的环境和内部状态的行为反应。行为灵活性的例子包括专注时更快的刺激反应和分心时更慢的反应。情境或状态依赖性调制可能发生在皮层层级的早期，并且可以通过来自皮层-皮层或神经调节通路的自上而下的投射来实现。然而，介导这种预测的影响的计算机制是未知的。在这里，我们介绍了一个理论框架来分类的影响，细胞类型特定的自上而下的扰动对信息处理速度的皮层电路。我们的理论表明，扰动对刺激处理的影响可以预测的固有增益调制，它控制的时间尺度的电路动态。我们的理论导致了反直觉的效果，例如随着输入方差的增加而提高的性能。我们使用来自自由奔跑小鼠视觉层次的大规模电生理记录来测试模型预测，我们发现运动过程中单细胞内在增益的减少导致视觉处理的加速。我们的研究结果建立了一个新的理论，细胞类型的特定扰动，适用于自上而下的调制以及光遗传学和药理学操作。我们的理论通过增益调制将连通性、动力学和信息处理联系起来。
2021-01-26 q-bio.NC
Network algorithmics and the emergence of synchronization in cortical models
当大脑信号被记录在脑电图或一些类似的大规模大脑活动记录中时，通常会观察到振荡模式，这些模式被认为反映了底层神经元集合的总电活动。虽然现在看来，这种模式在时间上与神经元的尖峰和空间上与其他大脑区域都参与了反馈回路，但可能解释这种回路存在的机制基本上仍然未知。在这里，我们提出了一个理论研究，这些问题的皮质模型，我们介绍了较早[内森A，巴博萨VC（2010年）网络算法和皮质突触重量分布的出现。Phys Rev E 81：021916]。我们开始与两个同步措施，旨在捕捉同步的可能性模型提供的整体尖峰活动的神经元和尖峰活动，导致突触后神经元的立即发射的定义。我们目前的计算结果，我们的皮质模型，在Erdens-Rényi意义上的模型是随机的，并在结构上确定性模型。我们已经发现，我们的皮层模型的算法组件最终提供了，通过两个同步措施，在所有情况下，这两种类型的同步出现一个强大的定量基础。反过来，这可以解释神经元组合电活动中的时间反馈回路和空间反馈回路的增加，因为空间上分离的大脑区域参与节奏行为。
2013-06-01 q-bio.NC
Adaptive coding efficiency in recurrent cortical circuits via gain control
本文提出一种新的自适应高效编码目标，通过递归网络中单神经元增益变化的传播来解释V1群体适应现象，并解析推导出在信息保真度与代谢资源之间取得最优权衡的增益集合。
2023-05-31 q-bio.NC
The Hamiltonian brain: efficient probabilistic inference with excitatory-inhibitory neural circuit dynamics
概率推理为理解行为和皮层计算提供了一个原则性的框架。然而，皮质反应的两个基本且普遍存在的性质似乎难以与概率推理相协调：神经活动在响应恒定输入时显示出显著的振荡，并且在响应刺激开始时显示出大的瞬态变化。在这里，我们表明，这些动态行为实际上可以被理解为特定的代表性和算法，大脑皮层采用执行概率推理的标志。我们证明了一个特殊的家庭的概率推理算法，汉密尔顿蒙特卡罗（HMC），自然映射到兴奋抑制神经网络的动态。具体来说，我们构建了一个模型的兴奋-抑制电路在初级视觉皮层进行HMC推理，从而内在地引起振荡和瞬态。这些振荡不仅仅是附带现象，而且还起到了重要的功能作用：通过快速跨越大量的状态空间来加速推理。因此，推理比模型的非振荡变体更有效。此外，该网络匹配了观察到的神经动力学的两个特定属性，否则在概率推理的背景下很难解释。首先，振荡的频率以及瞬态的幅度随着图像刺激的对比度而增加。第二，兴奋和抑制是平衡的，抑制滞后于兴奋。这些结果表明，一个新的功能的作用，为分离的皮层种群兴奋性和抑制性神经元，并出现在这样的兴奋性抑制网络的神经振荡：提高皮层计算的效率。
2016-12-31 q-bio.NC
An adaptive fractional state links circuit mechanisms to cortical dynamics across the visual hierarchy
School of Physics, The University of Sydney（悉尼大学物理学院）；ARC Centre of Excellence for Integrative Brain Function, The University of Sydney（悉尼大学整合脑功能卓越研究中心）
本研究结合小鼠视觉皮层记录与电路建模，提出自适应分数态，揭示视觉层级中动力学指数变化源于抑制减弱，实现快速响应与长期整合的共存。
2026-09-30 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.NC
Reorganization of columnar architecture in the growing visual cortex
在出生后的发育过程中，许多皮质区域的大小会显著增加，逐渐使神经元细胞体相互移位。目前，人们对皮质生长如何影响神经回路的发育知之甚少。在这里，在急性和慢性实验中，我们研究的布局视觉优势（OD）列猫初级视觉皮层（V1）在一段时间内的大量出生后的增长。我们发现，尽管V1的相当大的尺寸增加，列之间的间距在很大程度上被保留。相反，它们的空间布局在这一时期发生了系统性的变化。而在年轻的动物列更带状，布局变得更加各向同性的成熟动物。我们提出了一种新的机制，生长诱导的重组是基于“之字形不稳定性”，在几个无生命的图案形成系统中观察到的动态不稳定性。我们认为，这种机制是固有的广泛的一类模型的活动依赖的OD列的形成。分析这个类的一个成员，弹性网络模型，我们表明，这种机制可以解释的列间距的保存和我们观察到的OD列的重组的特定模式。我们的结论是，神经元系统转移其选择性在正常的发展过程中，这种重组是由生长过程中的皮质扩张。我们的工作表明，皮层回路在发育过程中保持可塑性很长一段时间，以促进神经元回路的修改，以适应皮层的生长。
2011-04-11 q-bio.NC
Identifying anatomical origins of coexisting oscillations in the cortical microcircuit
振荡在神经元群体信号中是无所不在的，如多单位记录、EEG/MEG和局部场电位。它们与神经元的群体放电率有关，单个神经元以接近不规则的方式以低速率放电。使用平均场和线性响应理论的结合，我们预测了V1分层微电路模型中产生的光谱，该模型由泄漏的集成和激发神经元组成，并基于从解剖和电生理研究中编译的连接性。该模型表现出低和高伽玛振荡可见于所有人口。由于本地产生的频率被施加到其他群体，振荡的起源不能从光谱中推断出来。我们开发了一种普遍适用的系统方法，确定在给定的网络中产生振荡的解剖电路。基于理论上减少的动态，我们推导出一个灵敏度的措施，导致在一个依赖于频率的连接图，揭示了所观察到的振荡的峰值振幅和频率至关重要的连接，并确定产生给定频率的最小电路。低伽马峰原来是在位于层2/3和4中的子电路中产生的，而高伽马峰则来自层4中的中间神经元。发现层5内和层5上的连接调节慢速率波动。我们进一步证明了关键连接的小扰动如何对种群谱产生重大影响，而其他连接的损伤使种群水平上的动态不变。这项研究揭示了控制皮层微电路频谱的机制最有效的连接。
2016-05-19 q-bio.NC
A cortical sparse distributed coding model linking mini- and macrocolumn-scale functionality
微型柱没有通用功能，即，一个同样适用于所有皮层区域和物种的方法，还没有被提出。我认为minicolumn确实有一个通用的功能，这只有在更高级别的，包含单元，宏列的功能的上下文中才变得清晰。我提议：a）宏列的功能是存储其输入的稀疏分布表示，并且是那些输入的识别器;以及b）微列的通用功能是实施宏列代码稀疏性。这里定义为~20个L2/3细胞的物理定位池的微柱通过充当赢家通吃（WTA）竞争模块来实现这一点，这意味着大柱代码由~70个活性L2/3细胞组成，假设每个大柱有~70个微柱。我描述了一种算法，用于在学习和检索过程中激活这些代码，这使得更多类似的输入映射到更高度相交的代码，这是一种产生超快（立即，第一次）存储和检索的特性。该算法通过在代码选择过程中添加一定量的随机性（噪声）来实现这一点，这与输入的熟悉度成反比。我提出了一个可能的映射到皮层电路的算法，并举出证据的神经调节实现这种熟悉的偶然噪音机制。该模型是区别于其他最近的柱状皮质电路模型，提出了一个通用的minicolumnar功能，其中一组细胞内的minicolumn，L2/3神经元，竞争（WTA）是稀疏分布的macrocolumnar代码的一部分。
2017-07-13 q-bio.NC
Cross-scale spatially-aware generative modeling of transcriptomic programs underlying neurodegenerative brain organization
Department of Computer Engineering, Karaikal Polytechnic College, Karaikal, Puducherry, India（计算机工程系，卡莱克尔理工学院，卡莱克尔，浦那赫里，印度）
提出一种跨尺度空间感知生成框架，通过变分生成架构结合图空间平滑正则化，学习区域基因表达与皮质退化的潜在生物程序，实现高精度预测（解释方差0.8604，空间相关r=0.9439）。
2026-06-04 cs.LG q-bio.NC q-bio.QM
Mechanisms for anesthesia, unawareness, respiratory depression, memory replay and sleep: MHb > IPN > PAG + DRN + MRN > claustrum > cortical slow waves
该研究揭示了麻醉、无意识、呼吸抑制、记忆回放和睡眠的神经机制，通过激活MHb-IPN-MRN回路及5-HT2a受体，解释了阿片类药物和迷幻药的作用机制。
2025-12-11 q-bio.NC
A Unified Cortical Circuit Model with Divisive Normalization and Self-Excitation for Robust Representation and Memory Maintenance
Qiyuan Laborotary（启元实验室）；Beijing Normal University（北京师范大学）
本文提出一个结合分裂归一化与自激发的统一皮层回路模型，在单个微回路中同时实现抗噪声鲁棒编码、工作记忆维持和近似贝叶斯推断，并通过RDK与pWCST任务验证其有效性。
2025-08-18 cs.AI cs.NE q-bio.NC
Sparse chaos in cortical circuits
Columbia University（哥伦比亚大学）；Kavli Institute of Brain Science（卡弗里脑科学研究所）；Göttingen Campus Institute for Dynamics of Biological Networks（哥廷根校区生物网络动力学研究所）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；Georg-August-Universität Göttingen（哥廷根大学）；Bernstein Center for Computational Neuroscience（伯恩斯坦计算神经科学中心）
本文利用计算遍历理论证明神经冲动生成机制深刻影响皮层回路的集体混沌，发现超过临界点后网络进入稀疏混沌状态，并揭示单神经元生物物理特性与回路可控性及信息流动之间的紧密联系。
2024-12-30 cond-mat.dis-nn cs.LG nlin.CD
General representation of collective neural dynamics with columnar modularity
我们展示了一个数学框架来表示在皮层水平的神经动力学。我们描述的神经动力学的柱状和功能模块，命名为纤维束表示（FBM）方法，是基于神经科学和信息学，而他们对应于传统的公式在统计物理。尽管神经回路中的复杂相互作用和每个模型的各种皮层修改规则，但一些重要因素决定了皮层动力学中的典型现象。FBM表示方法直观地揭示了这些特征，有助于建立或分析大脑皮层动力学模型。皮层动力学不仅在公式上具有相似性，而且与其他物理系统具有相同的统计特性，这一点在初级视觉地图中得到了验证。我们将我们的方法应用于视觉地图形成中的拟议模型，此外我们还建议使用横向相互作用方案。在本文中，我们将表明，神经动力学过程可以处理通过传统的物理表达式和理论。
2004-11-17 q-bio.NC
Preterm neonates distinguish rhythm violation through a hierarchy of cortical processing
节奏是听觉世界的一个基本组成部分，甚至在产前生活中也存在。虽然有证据表明，一些听觉能力在出生前就已经存在，但早产的神经网络是否以及如何处理听觉节奏尚不清楚。我们研究了早产儿在30-34周胎龄的神经反应，从违反节奏性刺激的听觉序列使用高分辨率脑电图和事件相关电位。不可预测的心律违规引起的额-中枢失配反应，表明早产儿检测到的节奏性心律失常。接下来，我们使用动态因果模型研究了引起失配反应的皮层有效连接。我们使用一组16个生成模型来检查皮质源之间的连接，这些模型嵌入了关于额叶皮质的作用以及向后额颞连接的替代假设。我们的研究结果表明，节奏违规的处理并不限于主要的听觉区域，在成年人的情况下，包括颞额叶皮层结构的层次结构。这一结果也强调了额叶皮层自上而下（向后）的投射在解释失配反应中的重要性。我们的研究结果表明，一个复杂的皮质结构的预测节奏处理在发病的丘脑皮质和皮质-皮质电路，两个月前的任期。
2021-10-18 q-bio.NC
Cortical microcircuits as gated-recurrent neural networks
大脑皮层回路呈现出复杂的循环结构，这些结构在不同的大脑区域之间非常相似。这种刻板的结构表明存在共同的计算原则。然而，这些原则在很大程度上仍然难以实现。受门控记忆网络（即长短期记忆网络（LSTM））的启发，我们引入了一种循环神经网络，其中信息通过减法抑制细胞（subLSTM）进行门控。我们提出了一个自然的映射subLSTM到已知的典型兴奋抑制皮层微电路。我们对序列图像分类和语言建模任务的经验评估表明，subLSTM单元可以实现与LSTM单元相似的性能。这些结果表明，皮层电路可以优化，以解决复杂的上下文问题，并提出了一个新的观点，他们的计算功能。总的来说，我们的工作为统一机器学习中使用的循环网络与其生物对应物迈出了一步。
2018-01-03 cs.NE q-bio.NC stat.ML
Emergence of Deviance Detection in Cortical Cultures through Maturation, Criticality, and Early Experience
本研究追踪体外皮质培养物的偏差检测发育，发现其随回路成熟内在涌现，临界性可稳定放大该功能，早期奇异球经验会强化偏差通路但降低检测指数，为预测编码机制和类脑人工系统设计提供参考。
2025-10-01 q-bio.NC
Outline of a novel architecture for cortical computation
本文提出了一种新的皮层计算架构。该架构由仅由神经元和突触组成的计算路径组成。这些路径已被分解为横向，纵向和垂直组件。然后，将皮质计算分解为横向计算（LaC）、纵向计算（LoC）和垂直计算（VeC）。研究表明，皮层回路中的各种环路结构在皮层计算以及记忆的储存和提取中起着重要作用，与短时记忆和长时记忆的分子基础保持一致。还提出了一种新的大脑学习方案，并解释了如何在所提出的架构中实现该方案。关于该体系结构的一些数学结果已经被提出，其中许多没有证明。
2007-12-12 q-bio.NC q-bio.QM
A computational perspective of the role of Thalamus in cognition
传统上，丘脑被认为只是皮层输入的中继源，具有分层组织的皮层回路将丘脑信号连续地转换为认知相关的表征。由于丘脑内缺乏局部兴奋性联系，在过去几十年中，丘脑“中继”的概念似乎是一个合理的描述。实验方法和理论的最新进展提供了一个更广泛的视角，丘脑在认知相关的皮层计算的作用，并建议，只有一个子集的丘脑电路图案适合继电器的描述。在这里，我们讨论了这一观点，并强调了潜在的作用，丘脑-特别是内侧背（MD）核-在动态选择皮质表示通过结合的内在丘脑计算和输出信号，改变皮质网络功能参数。我们认为，通过上下文调制的皮质计算，丘脑和皮质共同优化信息/成本权衡在一个紧急的方式。我们强调，协调一致的实验和理论努力将提供一条途径，以了解丘脑在认知中的作用，以及对增强健康和疾病认知能力的理解。
2018-10-17 cs.NE q-bio.NC
Synthetic reverberating activity patterns embedded in networks of cortical neurons
合成混响活动模式是通过刺激嵌入在体外皮层细胞自发活动网络中的神经元子集来实验产生的。神经元通过条件刺激矩阵人工连接，形成具有预定义可编程连接性和时间延迟的合成局部电路。这种实验设计的可能用途被证明，分析这些确定性的活动模式的敏感性传输延迟和正在进行的网络动态的性质。
2012-03-26 nlin.CD q-bio.NC
The serotonergic psychedelic N,N-dipropyltryptamine alters information-processing dynamics in cortical neural circuits
该研究通过大鼠皮层器官型培养物的三阶段电生理记录，揭示DPT可逆地提高放电熵、降低信息存储与活动可逆性、重塑回路连接并削弱三神经元高阶协同。
2023-10-31 cs.IT math.IT nlin.AO
Multihead self-attention in cortico-thalamic circuits
提出皮层-丘脑回路结构可实现类似多头自注意力的计算，为浅层和深层锥体细胞分配键值记忆与查询角色，并推导突触学习梯度。
2025-08-10 cs.NE q-bio.NC
Optimizing working memory with heterogeneity of recurrent cortical excitation
参数工作记忆的神经相关性是神经元放电率的刺激特异性升高，其在刺激去除后持续很长时间。具有局部兴奋和广泛抑制的网络模型支持持久的神经活动，将网络结构和参数化工作记忆联系起来。皮层神经元接收噪声输入波动，这导致持续的活动在网络中扩散，随着时间的推移降低记忆。我们探讨了支持参数化工作记忆的皮层结构如何影响持久性神经活动的扩散。通过研究尖峰网络和简化的势阱模型，我们发现空间异质性兴奋性耦合稳定了离散数量的持续状态，减少了持续活动在网络上的扩散。然而，异质耦合也粗粒刺激表征空间，限制了参数工作记忆的容量。由于粗粒化和扩散的折衷，使初始和回忆的刺激之间的信息传递是优化在一个固定的网络异质性的存储错误。对于足够长的延迟时间，吸引子的最佳数量小于可能的刺激的数量，这表明记忆网络可以低估刺激空间以优化性能。我们的研究结果清楚地表明了网络结构和随机波动对参数记忆存储的影响。
2013-10-14 q-bio.NC
Spontaneous coordinated activity in cultured networks: Analysis of multiple ignition sites, primary circuits, burst phase delay distributions and functional structures
所有高级中枢神经系统都表现出自发的神经活动，尽管这种活动的目的和机制起源仍然知之甚少。我们探讨点火和传播的集体自发电生理爆发活动的培养皮层神经元的微电极阵列上生长的网络，使用信息论和第一个尖峰脉冲的分析方法。我们发现存在的突发领导者神经元，形成一个单突触连接的初级电路，并启动大多数的网络突发。领导者/追随者点火延迟时间形成时间稳定的正偏态分布。阻断抑制性突触通常会导致延迟时间缩短，方差减小。这些分布是内部网络动力学的广义表征，并提供成对突触距离的估计。我们发现，神经节点之间的互信息是距离的函数，这是保持下去抑制。由此产生的分析产生特定的定量约束和见解的集体神经元活动的自组织皮层网络，这可能证明是有用的模型模拟自发活动系统的激活模式。
2010-04-12 q-bio.NC
Millisecond-scale motor encoding in a cortical vocal area
对运动控制的研究几乎普遍地检查了放电率，以研究大脑如何塑造行为。然而，原则上，神经元可以通过其脉冲序列的精确时间模式以及（或代替）其放电速率来编码信息。虽然在感觉系统中已经证明了尖峰时间的重要性，但运动区的时间差异是否会影响行为还很不清楚。我们测试了这一假设，即在鸣禽发声运动系统中，关于试验行为变化的重要信息由尖峰时间表示。我们发现，前运动神经元通过尖峰时间传递信息的频率远远高于通过尖峰频率，并且在毫秒时间尺度上传递的信息量大大超过了从尖峰计数中获得的信息。这些结果表明，信息可以表示的尖峰时间在运动电路，并建议，时间的变化引起的行为差异。
2014-04-14 q-bio.NC
Self-wiring in neural nets of point-like cortical neurons fails to reproduce cytoarchitectural differences
我们提出了一个模型来描述活动依赖的进化和二进制神经元之间的自布线。具体而言，该模型可用于研究发育中的新皮层中神经元连接的生长。通过使用适当的训练模式序列的计算模拟，我们表明，长期记忆可以编码在神经元的连接和外部刺激的功能的新皮层电路的一部分。有人建议，这种二进制神经元表示的点样皮层神经元不能再现新皮层组织的细胞结构差异，这对房室模型的不足之处有影响。
2006-07-04 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Nonlocal mechanism for cluster synchronization in neural circuits
皮层回路的拓扑结构与不同皮层区域的同步活动模式之间的相互作用是神经科学中的一个关键之谜。我们提出了一个新的非局部机制的周期性活动模式：最大公约数（GCD）的网络回路。对于一个节点的刺激，网络分裂成GCD簇，其中簇神经元处于零滞后同步。对于复杂的外部刺激，簇的数量可以是任何公约数。同步模式和同步的瞬变确定了外部刺激的类型。研究结果，支持的信息混合参数和模拟的霍奇金赫胥黎人口动态网络与单向连接和突触噪声，要求重新检查相关的活动在皮层和更短的信息处理时间尺度的来源。
2011-03-18 nlin.CD q-bio.NC
Ketamine-Medetomidine General Anesthesia Occurs With Alternation of Cortical Electrophysiological Activity Between High and Low Complex States
本研究通过分析非人灵长类ECoG记录，发现氯胺酮-美托咪定麻醉期间皮层活动复杂性在局部波动并在全局尺度上于高、低复杂状态间交替，为麻醉机制提供了新证据。
2023-09-05 q-bio.NC
Modelling Spontaneous Firing Activity of the Motor Cortex in a Spiking Neural Network with Random and Local Connectivity
本文构建了具有分层结构和局部连接的运动皮层脉冲神经网络模型，发现局部连接能提高发放率、扩大发放分布并使发放不规则性更接近实验数据，表明连接拓扑对自发活动中的发放模式具有重要作用。
2023-07-05 q-bio.NC
Towards a theory of cortical columns: From spiking neurons to interacting neural populations of finite size
神经元群体方程如神经质量或场模型被广泛用于大规模研究大脑活动。然而，这些模型与单个神经元性质的关系尚不清楚。在这里，我们推导出一个方程的几个相互作用的群体在介观尺度从随机连接的广义积分和消防神经元模型的微观模型。每个群体由50 - 2000个相同类型的神经元组成，但不同的群体占不同的神经元类型。我们发现的随机种群方程揭示了单神经元动力学中的尖峰历史效应（如不应性和适应性）如何与种群水平上的有限大小波动相互作用。随机介观方程的有效集成再现了从一个完整的尖峰神经网络模型的微观模拟获得的人口活动的统计行为。该理论描述了非线性涌现动力学，如多稳态网络中有限大小诱导的随机跃迁和兴奋性和抑制性神经元平衡网络中的同步。介观方程被用来快速模拟由八种神经元组成的局部皮层微电路模型。我们的理论建立了一个通用的框架，建模有限大小的神经元群体动力学的基础上单细胞和突触参数，并提供了一个有效的方法来分析皮层电路和计算。
2017-04-21 q-bio.NC
State-dependent complexity of the local field potential in the primary visual cortex
本研究针对皮层长时程状态下LFP特性认知不足的问题，采用基于Jensen不平衡测度和Shannon熵的符号信息方法，发现V1区LFP统计复杂度与皮层状态、分层及行为状态存在关联。
2023-12-13 physics.bio-ph q-bio.NC
Are cortical microcircuits optimized for information flux? -- A simulation-based reverse engineering study
Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nürnberg (FAU)（埃尔朗根-纽伦堡大学）；University Hospital Mannheim, University Heidelberg（海德堡大学曼海姆大学医院）；University Hospital Erlangen（埃尔朗根大学医院）；BGU Ludwigshafen（路德维希港创伤中心）
研究通过模拟分析皮层微柱结构，发现嵌入网络通过产生有效偏置和随机波动增强核心动态的信息流，为生物神经电路功能解释和人工递归系统设计提供新见解。
2026-05-14 q-bio.NC
Correlation-invariant synaptic plasticity
皮层神经元群体发展出适应环境统计的稀疏表示。虽然现有的突触可塑性模型再现了一些观察到的感受场特性，但一个主要障碍是赫布学习对皮层网络中无所不在的虚假相关性的敏感性，这种相关性可能会掩盖相关的潜在输入特征。在这里，我们开发了一个理论突触可塑性是不变的输入中的二阶相关性。超越经典的赫布学习，我们展示了赫布长期抑郁症（LTD）如何取消对二阶相关性的敏感性，使感受野与隐藏在高阶统计中的特征保持一致。我们的模拟演示了相关不变性如何使生物现实模型开发稀疏的人口代码，尽管不同程度的变异性和异质性。该理论推进了我们对皮层回路中局部无监督学习的理解，并为锥体神经元中的突触LTD机制分配了特定的功能角色。
2022-09-15 q-bio.NC
Modeling Category-Selective Cortical Regions with Topographic Variational Autoencoders
UvA-Bosch Delta Lab（阿姆斯特丹大学-博世三角洲实验室）；University of Amsterdam（阿姆斯特丹大学）；ChemEngAI Lab（化学工程人工智能实验室）；Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
大脑中的类别选择性描述了大脑皮层的某些空间局部区域倾向于对特定有限类别的刺激做出强烈和选择性的反应。类别选择性最著名的例子之一是梭形面部区域（FFA），这是灵长类动物颞叶皮层下部的一个区域，与物体或其他一般刺激相比，它优先对面部图像做出反应。在这项工作中，我们利用新引入的地形变分自动编码器来模拟这种本地化的类别选择性的出现在一个无监督的方式。实验上，我们证明了我们的模型产生空间密集的神经集群选择性的面孔，身体和地方，通过可视化的地图科恩的d度量。我们将我们的模型与相关的监督方法进行了比较，即Lee等人的拓扑深度人工神经网络（TDANN），并讨论理论和经验的相似性。最后，我们展示了初步的结果表明，我们的模型产生了一个嵌套的空间层次结构越来越抽象的类别，类似于从人类腹侧颞叶皮层的观察。
2021-12-19 cs.LG q-bio.NC
Competition through selective inhibitory synchrony
皮质神经元回路的模型通常依赖于抑制反馈来控制增益，提供信号归一化，并使用赢家通吃（WTA）动力学选择性地放大信号。这种模型通常假设兴奋性和抑制性神经元能够容易地相互作用，因为它们的轴突和树突共同定位在同一个小体积中。然而，定量神经解剖学研究的轴突和树突树的神经元在新皮层的尺寸表明，这种共定位的假设是无效的。在本文中，我们描述了一个简单的修改WTA电路设计，允许分布式抑制神经元的影响耦合通过同步，因此允许一个单一的WTA广泛分布在皮层空间，远远超出了任何单一的抑制神经元的树枝状，甚至在不同的皮层区域。我们证明了非线性收缩分析，并通过仿真表明，分布式WTA子系统结合这样的抑制同步是内在稳定的。我们分析表明，同步是大大快于赢家选择。这种电路机制允许独立的WTA网络完全或部分地相互竞争。
2012-04-03 cs.NE q-bio.NC
Decoding Cortical Microcircuits: A Generative Model for Latent Space Exploration and Controlled Synthesis
本文提出一种生成模型，通过学习小鼠皮层微回路的连接图，揭示大脑发育的潜在蓝图，并可控生成具有特定结构特征的合成微回路。
2026-01-27 cs.AI cs.NE q-bio.NC
An Analytically Solvable Model of Firing Rate Heterogeneity in Balanced State Networks
针对皮层回路放电率分布缺乏数学可处理性的问题，基于 Gauss-Rice 神经元模型提出一种可精确计算放电率分布的平衡态皮层回路模型，支持多群体与多突触受体，为理解单神经元及突触特性对放电率分布的影响奠定基础。
2024-12-19 q-bio.NC
Guiding synchrony through random networks
稀疏随机网络包含可被视为稀释前馈网络的结构。皮质电路的建模表明，前馈结构，如果强烈明显的嵌入随机网络相比，使可靠的信号传输传播本地化（子网络）同步。然而，这种假设的突出性在局部皮层回路中没有实验观察到。在这里，我们表明，在最近的单神经元实验中发现的非线性树突相互作用，自然使引导同步传播已经在随机循环神经网络表现出轻度增强，生物学上合理的子结构。
2013-08-15 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.NC
Neural manifold analysis of brain circuit dynamics in health and disease
实验神经科学的最新发展使得同时记录数千个神经元的活动成为可能。然而，这种大规模神经记录的分析方法的发展比适用于单细胞实验的方法要慢。最近流行的一种方法是神经流形学习。这种方法利用了这样的事实，即即使神经数据集可能是非常高维的，神经活动的动态往往也会遍历低得多的维度空间。由这些低维神经子空间形成的拓扑结构被称为神经流形，并且可能提供将神经回路动力学与认知功能和行为表现联系起来的洞察力。在本文中，我们回顾了一些线性和非线性的方法来神经流形学习，将它们设置在一个共同的数学框架，并比较它们的优点和缺点，就其用于神经数据分析。我们将它们应用到一些数据集从已发表的文献，比较流形，从他们的应用程序，海马位置细胞，运动皮层神经元在达到任务，和前额叶皮层神经元在多行为任务。我们发现，在许多情况下，线性算法产生类似的结果，非线性方法，虽然特别是在行为的复杂性更大的情况下，非线性方法往往会找到低维流形，在可能的代价的可解释性。我们证明，这些方法是适用于神经系统疾病的研究，通过模拟小鼠模型的阿尔茨海默病，并推测，神经流形分析可能有助于我们了解电路水平的分子和细胞神经病理学的后果。
2022-10-17 q-bio.NC
A Neuron Based Switch: Application to Low Power Mixed Signal Circuits
人脑在功能和物理上都很复杂。这种“复杂性”可以被看作是生物设计过程的结果，涉及广泛使用的概念，如模块化和层次。在过去的十年中，对皮层神经元功能的深入了解导致了可以在硬件中实现的模型的开发。在硅中实现生物启发的尖峰神经元网络可以为困难的认知任务提供解决方案。本文报道的工作是一个应用程序的VLSI皮层神经元模型的低功耗设计。本文所示的VLSI实现是基于皮层的尖峰和爆发放电模式，并遵循Izhikevich神经元模型。该模型被应用于直流差分放大器作为降低功耗的实际应用
2012-01-28 cs.ET cs.NE q-bio.NC
Analysis and Model of Cortical Slow Waves Acquired with Optical Techniques
慢波（SW）是在自然睡眠和麻醉期间发生的皮层活动的时空模式，并且在物种之间保留。尽管电生理记录已被大量用于表征大脑状态，但它们在空间分辨率上受到限制，并且不能针对特定的神经元群体。最近，大规模的光学成像技术加上功能指标克服了这些限制，和新的管道的分析和新的方法的SW建模需要提取相关功能的时空动态SW从这些高度空间分辨率的数据集。在这里，我们结合了宽场荧光显微镜和转基因小鼠模型表达的钙指示剂（GCaMP6f）在兴奋性神经元研究SW传播的中尺度氯胺酮麻醉下。我们开发了一个通用的分析管道，以识别和量化的时空传播的SW。此外，我们设计了一个计算模拟器的基础上，一个简单的理论模型，考虑到统计的神经元活动，荧光蛋白的响应和慢波动力学。该模拟器能够合成人工信号，可以可靠地再现体内观察到的SW的几个特征，从而为分析管道提供校准工具。实验和模拟数据的比较显示了分析工具的鲁棒性及其揭示慢波活动（SWA）的机制见解的潜力。
2020-01-31 q-bio.NC
Synchronized dynamics of cortical neurons with time-delay feedback
三个相互耦合的皮层神经元的耦合时间延迟的动力学进行了探讨数值和解析。神经元耦合成一条线，中间神经元向外部神经元发送的投射比它接收的反馈更强，以模拟例如从初级皮质区域到高级皮质区域的信号中继。对于给定的耦合架构，延迟在延迟的时间尺度上在时间序列中引入相关性。结果表明，中间神经元通过延迟时间领先于外部神经元，而外部神经元以零延迟时间同步。同步被发现是高度依赖于突触的时间常数，与更快的突触增加同步的程度和放电率。分析表明，突触前的输入在interspike间隔稳定的同步状态，即使是任意弱耦合，和独立的初始相位。这一发现可能对大脑皮层中空间上相互远离的大群细胞的同步化具有重要意义。
2006-12-23 nlin.CD q-bio.NC
Theory of population coupling and applications to describe high order correlations in large populations of interacting neurons
为了了解神经元群体中的集体尖峰活动，揭示负责这些紧急功能状态的基本电路变量是至关重要的。本文对最近在小鼠和猴的视觉皮层研究中提出的群体耦合的平均场理论进行了发展，将单个神经元的活动与群体活动联系起来，并将原来的形式扩展到二阶，将神经元对的活动与群体活动联系起来，以解释神经元数据中观察到的高阶相关性。我测试的蝾螈视网膜数据和行为大鼠的皮层尖峰数据的计算框架。对于视网膜数据，原始形式的群体耦合及其高级形式可以分别解释两细胞相关性和三细胞相关性的显著部分。对于皮层数据，性能变得更好，二阶种群耦合揭示了局部皮层回路中的非局部效应。
2017-02-01 physics.bio-ph q-bio.NC
Closed-loop control of a modular neuromorphic biohybrid
神经网络模块化是神经活动控制电路发展的主要挑战。在生理限制下，外部刺激的可达区域可能不同于功能相关区域，需要复杂的间接控制设计。此外，一旦存在稀疏的连接，对一个区域的控制可能会影响其他下游网络的活动。我们解决这些问题，通过开发一个混合装置的皮质文化功能集成的仿生硬件神经网络。这种设计使模块化网络可控性的研究成为可能，而连接性是明确定义的，皮质网络的关键特征是可访问的。使用一个闭环控制来监测耦合混合的活动，我们表明，这两个模块是一致的修改，在宏观以及微观活动水平。无论控制电路是间接串联的还是仅在其中一个模块上独立实现的，控制都有效地影响两侧的活动。因此，这些结果呈现了局部控制干预的全局功能影响。总的来说，这种策略提供了一个实验访问的可控性神经活动不规则性，当嵌入在一个模块化的组织。
2018-02-22 q-bio.NC
Emergent Bio-Functional Similarities in a Cortical-Spike-Train-Decoding Spiking Neural Network Facilitate Predictions of Neural Computation
Qiushi Academy for Advanced Studies, Zhejiang University（浙江大学求是高等研究院）；College of Biomedical Engineering and Instrument Science, Zhejiang University（浙江大学生物医学工程与仪器科学学院）；College of Computer Science and Technology, Zhejiang University（浙江大学计算机科学与技术学院）；China Nanhu Academy of Electronics and Information Technology (CNAEIT)（中国电子科技南湖研究院）
尽管目标驱动的发放神经网络（SNN）具有更好的生物可识别性，但它在生物脉冲序列方面并没有达到适用的性能，而且与传统的人工神经网络相比，SNN的生物功能相似性很小。在这项研究中，我们提出了motorSRNN，一个经常性的SNN拓扑启发灵长类动物的神经运动回路。通过采用motorSRNN在解码脉冲序列从初级运动皮层的猴子，我们取得了很好的平衡之间的分类精度和能量消耗。motorSRNN通过捕获和培养更多的余弦调谐（运动皮层神经元的基本属性）与输入进行通信，并在训练期间保持稳定。在我们的猴子中也观察到这种训练诱导的培养和余弦调谐的持续性。此外，motorSRNN在单神经元、群体和电路水平上产生了额外的生物功能相似性，证明了生物真实性。因此，对motorSRNN的消融研究表明，长期稳定的反馈突触有助于运动皮层的训练诱导培养。除了这些新的发现和预测，我们还提供了一个新的框架来构建真实的神经计算模型。
2023-03-14 cs.AI q-bio.NC
A distributed-delay Wilson-Cowan model of sleep-related rhythms in the corticothalamic system
West University of Timişoara（蒂米什瓦拉西部大学）；SUNY New Paltz（纽约州立大学新帕尔茨分校）
该研究构建含皮质、丘脑相关群体的四群体Wilson-Cowan模型，发现皮质丘脑回路的节律动力学不仅取决于连接性，还受分布式延迟耦合的时间组织影响，揭示了睡眠相关节律的调控机制。
2026-09-02 q-bio.NC
