建模嘈杂的单审峰活动为基础的神经种群动力学建模对于关联神经观察和行为至关重要。最近的一种非电流方法 - 神经数据变压器（NDT） - 在没有明确动力学模型的情况下捕获具有低推理潜伏期的神经动力学方面取得了巨大成功。但是，NDT专注于建模人口活动的时间演变，同时忽略各个神经元之间的丰富协调。在本文中，我们介绍了时空神经数据变压器（STNDT），这是一种基于NDT的架构，该体系结构明确地模拟了跨时和空间中人群中单个神经元的响应，以揭示其潜在的点火率。此外，我们提出了一种对比对比学习损失，该学习损失是根据掩盖建模目标起作用的，以进一步提高预测性能。我们表明，我们的模型在估计四个神经数据集的神经活动方面达到了整体级别的最新性能，这表明其能力捕获跨越不同皮质区域的自主和非自主动力学，同时完全不知道，同时对特定的行为完全不知所措手。此外，STNDT空间注意机制揭示了神经元的始终重要子集，这些基因在推动整个人群的反应中起着至关重要的作用，从而提供了对神经元人群如何执行计算方式的可解释性和关键见解。

神经记录的进展现在在前所未有的细节中研究神经活动的机会。潜在的变量模型（LVMS）是用于分析各种神经系统和行为的丰富活动的有希望的工具，因为LVM不依赖于活动与外部实验变量之间的已知关系。然而，目前缺乏标准化目前阻碍了对神经元群体活性的LVM进行的进展，导致采用临时方式进行和比较方法。为协调这些建模工作，我们为神经人群活动的潜在变量建模介绍了基准套件。我们从认知，感官和机动领域策划了四种神经尖峰活动的数据集，以促进适用于这些地区各地的各种活动的模型。我们将无监督的评估视为用于评估数据集的模型的共同框架，并应用几个显示基准多样性的基线。我们通过评估释放此基准。 http://neurallatents.github.io.

通常通过从单个组件的动力学上抽象来构建人口级动力学的模型来研究复杂的时变系统。但是，当构建人群级别的描述时，很容易忽略每个人，以及每个人如何贡献更大的情况。在本文中，我们提出了一种新颖的变压器体系结构，用于从时变数据中学习，该数据构建了个人和集体人口动态的描述。我们没有在一开始就将所有数据结合到我们的模型中，而是开发可分离的体系结构，该体系结构先在单个时间序列上运行，然后再将它们传递给它们。这会导致置换式属性属性，可用于跨不同大小和顺序的系统传输。在证明我们的模型可以应用于在多体系统中成功恢复复杂的相互作用和动力学之后，我们将方法应用于神经系统中的神经元种群。在神经活动数据集上，我们表明我们的多尺度变压器不仅会产生强大的解码性能，而且在转移方面提供了令人印象深刻的性能。我们的结果表明，可以从一种动物的大脑中的神经元学习并传递不同动物大脑中神经元的模型，并在集合和动物之间具有可解释的神经元对应。这一发现为解码并表示大量神经元的新途径开辟了一条新的途径。

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 three 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 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. We attribute this finding to the fact that NODEs allow use of multi-layer perceptrons (MLPs) of arbitrary capacity to model the vector field. Decoupling the expressivity of the dynamics model from its latent dimensionality enables NODEs to learn the requisite low-D dynamics where RNN cells fail. 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.

神经活动的意义和简化表示可以产生深入了解如何以及什么信息被神经回路内处理。然而，如果没有标签，也揭示了大脑和行为之间的联系的发现表示可以挑战。在这里，我们介绍了所谓的交换，VAE学习神经活动的解开表示一种新型的无监督的办法。我们的方法结合了特定实例的排列损失，试图最大限度地输入（大脑状态）的转变观点之间的代表性相似性的生成模型框架。这些转化（或增强）视图是通过掉出神经元和抖动样品中的时间，这直观地应导致网络维护既时间一致性和不变性用于表示神经状态的特定的神经元的表示创建的。通过对从数百个不同的灵长类动物大脑的神经元的模拟数据和神经录音的评价，我们表明，它是不可能建立的表示沿有关潜在维度解开神经的数据集与行为相联系。

In the brain, information is encoded, transmitted and used to inform behaviour at the level of timing of action potentials distributed over population of neurons. To implement neural-like systems in silico, to emulate neural function, and to interface successfully with the brain, neuromorphic circuits need to encode information in a way compatible to that used by populations of neuron in the brain. To facilitate the cross-talk between neuromorphic engineering and neuroscience, in this Review we first critically examine and summarize emerging recent findings about how population of neurons encode and transmit information. We examine the effects on encoding and readout of information for different features of neural population activity, namely the sparseness of neural representations, the heterogeneity of neural properties, the correlations among neurons, and the time scales (from short to long) at which neurons encode information and maintain it consistently over time. Finally, we critically elaborate on how these facts constrain the design of information coding in neuromorphic circuits. We focus primarily on the implications for designing neuromorphic circuits that communicate with the brain, as in this case it is essential that artificial and biological neurons use compatible neural codes. However, we also discuss implications for the design of neuromorphic systems for implementation or emulation of neural computation.

通过最大化示例的不同转换“视图”之间的相似性来构建自我监督学习（SSL）构建表示的最先进的方法。然而，在用于创建视图的转换中没有足够的多样性，难以克服数据中的滋扰变量并构建丰富的表示。这激励了数据集本身来查找类似但不同的样本，以彼此的视图。在本文中，我们介绍了我自己的观点（MISOW），一种新的自我监督学习方法，在数据集中定义预测的不同目标。我们的方法背后的想法是主动挖掘观点，发现在网络的表示空间中的邻居中的样本，然后从一个样本的潜在表示，附近样本的表示。在展示计算机愿景中使用的基准测试中，我们突出了在神经科学的新应用中突出了这个想法的力量，其中SSL尚未应用。在测试多单元神经记录时，我们发现Myow在所有示例中表现出其他自我监督的方法（在某些情况下超过10％），并且经常超越监督的基线。通过MOSO，我们表明可以利用数据的多样性来构建丰富的观点，并在增强的新域中利用自我监督，其中包括有限或未知。

实验神经科学的进步改变了我们探索神经电路结构和功能的能力。与此同时，机器学习的进步已经释放了人工神经网络（ANNS）的显着计算能力。虽然这两个字段具有不同的工具和应用程序，但它们存在类似的挑战：即，了解如何通过高维表示来嵌入信息并通过高维表示来解决复杂任务。解决这一挑战的一种方法是利用数学和计算工具来分析这些高维表示的几何形状，即神经人口几何形状。我们审查了解生物和人工神经网络功能的几何方法的示例：感知的代表性，在认知系统中的分类能力，解剖和抽象的几何理论，认知地图的拓扑表示，电机系统中的动态不包含一种动态的认知方法。这些发现在一起说明了机器学习，神经科学和几何形状的令人兴奋的趋势，其中神经人口几何形状提供了有用的人口级机械描述符基础任务实现。重要的是，几何描述适用于感官模态，脑区，网络架构和时间尺度。因此，神经人口几何形状有可能统一我们对生物和人工神经网络的结构和功能的理解，弥合单一神经元，人口和行为之间的差距。

了解任务学习后神经电路中的活动如何重新成像，可以揭示学习的基本机制。由于神经成像技术的最近进步，高质量的记录可以在多天甚至几周内从数百个神经元获得。然而，人口响应的复杂性和维度对分析构成了重大挑战。研究神经元适应和学习的现有方法通常对数据或模型产生强烈的假设，导致不概括的偏置描述。在这项工作中，我们使用一个叫做 - Cycleangan的深度生成模型的变种，了解预先和后学后神经活动之间的未知映射，记录了$ \ texit {vivo} $。我们开发一个端到端的管道到预处理，火车和评估荧光信号，以及解释所得到的深度学习模型的过程。为了评估我们方法的有效性，我们首先在具有已知地面实话转换的合成数据集中测试我们的框架。随后，我们将我们的方法应用于从初级视觉皮层记录的表现小鼠记录的神经活动，其中小鼠从新手转换到基于视觉的虚拟现实实验中的专家级性能。我们评估了产生的钙信号的模型性能及其推断的尖峰列车。为了最大限度地提高性能，我们推导了一种新的预选神经元方法，使得基于卷积的网络可以利用神经活动中存在的空间信息。此外，我们还纳入了视觉解释方法，以提高我们工作的可解释性，并进入学习过程中的洞察力，表现在细胞活动中。我们的结果表明，分析具有数据驱动的深度无监督方法的神经元学习过程，其可能以不偏不倚的方式解开变化的可能性。

为了在专门的神经形态硬件中进行节能计算，我们提出了尖峰神经编码，这是基于预测性编码理论的人工神经模型家族的实例化。该模型是同类模型，它是通过在“猜测和检查”的永无止境过程中运行的，神经元可以预测彼此的活动值，然后调整自己的活动以做出更好的未来预测。我们系统的互动性，迭代性质非常适合感官流预测的连续时间表述，并且如我们所示，模型的结构产生了局部突触更新规则，可以用来补充或作为在线峰值定位的替代方案依赖的可塑性。在本文中，我们对模型的实例化进行了实例化，该模型包括泄漏的集成和火灾单元。但是，我们系统所在的框架自然可以结合更复杂的神经元，例如Hodgkin-Huxley模型。我们在模式识别方面的实验结果证明了当二进制尖峰列车是通信间通信的主要范式时，模型的潜力。值得注意的是，尖峰神经编码在分类绩效方面具有竞争力，并且在从任务序列中学习时会降低遗忘，从而提供了更经济的，具有生物学上的替代品，可用于流行的人工神经网络。

尖峰神经网络（SNN）引起了脑启发的人工智能和计算神经科学的广泛关注。它们可用于在多个尺度上模拟大脑中的生物信息处理。更重要的是，SNN是适当的抽象水平，可以将大脑和认知的灵感带入人工智能。在本文中，我们介绍了脑启发的认知智力引擎（Braincog），用于创建脑启发的AI和脑模拟模型。 Braincog将不同类型的尖峰神经元模型，学习规则，大脑区域等作为平台提供的重要模块。基于这些易于使用的模块，BrainCog支持各种受脑启发的认知功能，包括感知和学习，决策，知识表示和推理，运动控制和社会认知。这些受脑启发的AI模型已在各种受监督，无监督和强化学习任务上有效验证，并且可以用来使AI模型具有多种受脑启发的认知功能。为了进行大脑模拟，Braincog实现了决策，工作记忆，神经回路的结构模拟以及小鼠大脑，猕猴大脑和人脑的整个大脑结构模拟的功能模拟。一个名为BORN的AI引擎是基于Braincog开发的，它演示了如何将Braincog的组件集成并用于构建AI模型和应用。为了使科学追求解码生物智能的性质并创建AI，Braincog旨在提供必要且易于使用的构件，并提供基础设施支持，以开发基于脑部的尖峰神经网络AI，并模拟认知大脑在多个尺度上。可以在https://github.com/braincog-x上找到Braincog的在线存储库。

将动物行为与大脑活动相关是神经科学的基本目标，具有建立强大的脑机接口的实际应用。但是，个人之间的域间差距是一种重大问题，可以防止对未标记科目工作的一般模型的培训。由于现在可以从无手动干预的多视图视频序列可以可靠地提取3D构成数据，我们建议使用它来指导神经动作表示的编码以及利用显微镜成像的性质的一组神经和行为增强。为了减少域间差距，在培训期间，我们跨越似乎正在执行类似行动的动物交换神经和行为数据。为了证明这一点，我们在三个非常不同的多模式数据集上测试我们的方法;特征是苍蝇和神经活动的一种，其中一个包含人类神经电压（ECOG）数据，最后是来自不同观点的人类活动的RGB视频数据。

尖峰神经网络（SNN）在各种智能场景中都表现出了出色的功能。大多数现有的训练SNN方法基于突触可塑性的概念。但是，在现实的大脑中学习还利用了神经元的内在非突触机制。生物神经元的尖峰阈值是一种关键的固有神经元特征，在毫秒的时间尺度上表现出丰富的动力学，并已被认为是一种促进神经信息处理的基本机制。在这项研究中，我们开发了一种新型的协同学习方法，该方法同时训练SNN中的突触权重和尖峰阈值。经过突触阈值协同学习（STL-SNN）训练的SNN在各种静态和神经形态数据集上的精度明显高于接受两种突触学习（SL）和阈值学习（TL）的单独学习模型（TL）的SNN。在训练过程中，协同学习方法优化了神经阈值，通过适当的触发速率为网络提供稳定的信号传输。进一步的分析表明，STL-SNN对嘈杂的数据是可靠的，并且对深网结构表现出低的能耗。此外，通过引入广义联合决策框架（JDF），可以进一步提高STL-SNN的性能。总体而言，我们的发现表明，突触和内在的非突触机制之间的生物学上合理的协同作用可能为开发高效的SNN学习方法提供了一种有希望的方法。

尖峰神经网络（SNNS）模仿大脑计算策略，并在时空信息处理中表现出很大的功能。作为人类感知的基本因素，视觉关注是指生物视觉系统中显着区域的动态选择过程。尽管视觉注意力的机制在计算机视觉上取得了巨大成功，但很少会引入SNN中。受到预测注意重新映射的实验观察的启发，我们在这里提出了一种新的时空通道拟合注意力（SCTFA）模块，该模块可以通过使用历史积累的空间通道信息来指导SNN有效地捕获潜在的目标区域。通过在三个事件流数据集（DVS手势，SL-Animals-DVS和MNIST-DVS）上进行系统评估，我们证明了带有SCTFA模块（SCTFA-SNN）的SNN不仅显着超过了基线SNN（BL-SNN）（BL-SNN）（BL-SNN）以及其他两个具有退化注意力模块的SNN模型，但也通过现有最新方法实现了竞争精度。此外，我们的详细分析表明，所提出的SCTFA-SNN模型对噪声和出色的稳定性具有强大的稳健性，同时保持了可接受的复杂性和效率。总体而言，这些发现表明，适当纳入大脑的认知机制可能会提供一种有希望的方法来提高SNN的能力。

This chapter sheds light on the synaptic organization of the brain from the perspective of computational neuroscience. It provides an introductory overview on how to account for empirical data in mathematical models, implement them in software, and perform simulations reflecting experiments. This path is demonstrated with respect to four key aspects of synaptic signaling: the connectivity of brain networks, synaptic transmission, synaptic plasticity, and the heterogeneity across synapses. Each step and aspect of the modeling and simulation workflow comes with its own challenges and pitfalls, which are highlighted and addressed in detail.

科学家经常使用观察时间序列数据来研究从气候变化到民间冲突再到大脑活动的复杂自然过程。但是对这些数据的回归分析通常假定简单的动态。深度学习的最新进展使从语音理解到核物理学再到竞争性游戏的复杂过程模型的表现实现了令人震惊的改进。但是深度学习通常不用于科学分析。在这里，我们通过证明可以使用深度学习，不仅可以模仿，而且可以分析复杂的过程，在保留可解释性的同时提供灵活的功能近似。我们的方法 - 连续时间反向逆转回归神经网络（CDRNN） - 放宽标准简化的假设（例如，线性，平稳性和同质性）对于许多自然系统来说是不可信的，并且可能会严重影响数据的解释。我们评估CDRNNS对人类语言处理，这是一个具有复杂连续动态的领域。我们证明了行为和神经影像数据中预测可能性的显着改善，我们表明CDRNN可以在探索性分析中灵活发现新型模式，在确认分析中对可能的混杂性提供强有力的控制，并打开否则就可以使用这些问题来进行研究，这些问题否则就可以使用这些问题来进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究。观察数据。

预测性编码提供了对皮质功能的潜在统一说明 - 假设大脑的核心功能是最小化有关世界生成模型的预测错误。该理论与贝叶斯大脑框架密切相关，在过去的二十年中，在理论和认知神经科学领域都产生了重大影响。基于经验测试的预测编码的改进和扩展的理论和数学模型，以及评估其在大脑中实施的潜在生物学合理性以及该理论所做的具体神经生理学和心理学预测。尽管存在这种持久的知名度，但仍未对预测编码理论，尤其是该领域的最新发展进行全面回顾。在这里，我们提供了核心数学结构和预测编码的逻辑的全面综述，从而补充了文献中最新的教程。我们还回顾了该框架中的各种经典和最新工作，从可以实施预测性编码的神经生物学现实的微电路到预测性编码和广泛使用的错误算法的重新传播之间的紧密关系，以及对近距离的调查。预测性编码和现代机器学习技术之间的关系。

生物视觉系统的神经基础在实验上研究很具有挑战性，特别是因为相对于视觉输入，神经元活性变得越来越非线性。人工神经网络（ANN）可以为改善我们对这一复杂系统的理解提供各种目标，不仅充当硅中新假设产生的感觉皮层的预测数字双胞胎，而且还融合了生物启发的建筑主题，以逐步桥接桥梁生物和机器视觉之间的差距。该鼠标最近已成为研究视觉信息处理的流行模型系统，但是尚未确定识别鼠标视觉系统最新模型的标准化大规模基准。为了填补这一空白，我们提出了感官基准竞赛。我们从小鼠初级视觉皮层中收集了一个大规模数据集，其中包含七个小鼠的28,000多个神经元的反应，并通过数千个自然图像刺激，以及同时的行为测量，包括跑步速度，瞳孔扩张和眼动。基准挑战将基于固定测试集​​中神经元响应的预测性能对模型进行对模型，其中包括两个模型输入的轨道，仅限于刺激（感觉到）或刺激加行为（感觉符号+）。我们提供一个起始套件，以降低进入障碍的障碍，包括教程，预训练的基线模型以及带有一条线命令以进行数据加载和提交的API。我们希望将其视为定期挑战和数据发布的起点，也是衡量鼠标视觉系统及其他大规模神经系统识别模型中进度的标准工具。

经常性的神经网络（RNNS）是用于处理时间序列数据的强大模型，但了解它们如何运作仍然具有挑战性。提高这种理解对机器学习和神经科学社区的大量兴趣。逆向工程框架训练的RNN通过在其固定点周围线性化提供了洞察力，但该方法具有重大挑战。这些包括在使用线性化动态重建非线性动态时，选择在研究RNN动态和误差累积时难以扩展的固定点。我们提出了一种通过使用新型切换线性动态系统（SLD）制剂的RNN共同训练RNN来克服这些限制的新模型。共同训练的RNN的一阶泰勒系列扩展和训练拾取RNN的固定点的辅助功能管理SLDS动态。结果是训练有素的SLDS变体，其与RNN相近，可以为状态空间中的每个点产生固定点的辅助函数，以及其动态已经规程的训练有素的非线性RNN，使得其一阶项执行计算， 如果可能的话。该模型删除了培训后的固定点优化，并允许我们明确地研究SLD在状态空间中的任何点的学习动态。它还概括了SLDS模型，以在交换机共享参数的同时将SLD模型转换为切换点的连续歧管。我们以与先前的工作逆向工程RNN相关的两个合成任务验证模型的实用程序。然后，我们表明我们的模型可以用作更复杂的架构中的替换，例如LFAD，并应用该LFADS杂种以分析非人类灵长类动物的电机系统的单试尖峰活动。

过去十年来，人们对人工智能（AI）的兴趣激增几乎完全由人工神经网络（ANN）的进步驱动。尽管ANN为许多以前棘手的问题设定了最先进的绩效，但它们需要大量的数据和计算资源进行培训，并且由于他们采用了监督的学习，他们通常需要知道每个培训示例的正确标记的响应，并限制它们对现实世界域的可扩展性。尖峰神经网络（SNN）是使用更多类似脑部神经元的ANN的替代方法，可以使用无监督的学习来发现输入数据中的可识别功能，而又不知道正确的响应。但是，SNN在动态稳定性方面挣扎，无法匹配ANN的准确性。在这里，我们展示了SNN如何克服文献中发现的许多缺点，包括为消失的尖峰问题提供原则性解决方案，以优于所有现有的浅SNN，并等于ANN的性能。它在使用无标记的数据和仅1/50的训练时期使用无监督的学习时完成了这一点（标记数据仅用于最终的简单线性读数层）。该结果使SNN成为可行的新方法，用于使用未标记的数据集快速，准确，有效，可解释的机器学习。