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Enregistrement W3164386808 · doi:10.1101/2021.05.26.445816

Maximally predictive ensemble dynamics from data

2021· preprint· en· W3164386808 sur OpenAlexaff
Antonio Carlos Costa, Tosif Ahamed, David Jordan, Greg J. Stephens

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2021
Typepreprint
Langueen
DomaineNeuroscience
ThématiqueNeural dynamics and brain function
Établissements canadiensLunenfeld-Tanenbaum Research InstituteMount Sinai Hospital
Organismes subventionnairesOkinawa Institute of Science and Technology Graduate University
Mots-clésComputer scienceStatistical physicsOperator (biology)Parameterized complexityLeverage (statistics)Langevin dynamicsScalabilityAlgorithmArtificial intelligencePhysics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

We leverage the interplay between microscopic variability and macroscopic order to connect physical descriptions across scales directly from data, without underlying equations. We reconstruct a state space by concatenating measurements in time, building a maximum entropy partition of the resulting sequences, and choosing the sequence length to maximize predictive information. Trading non-linear trajectories for linear, ensemble evolution, we analyze reconstructed dynamics through transfer operators. The evolution is parameterized by a transition time τ : capturing the source entropy rate at small τ and revealing timescale separation with collective, coherent states through the operator spectrum at larger τ . Applicable to both deterministic and stochastic systems, we illustrate our approach through the Langevin dynamics of a particle in a double-well potential and the Lorenz system. Applied to the behavior of the nematode worm C. elegans , we derive a “run-and-pirouette” navigation strategy directly from posture dynamics. We demonstrate how sequences simulated from the ensemble evolution capture both fine scale posture dynamics and large scale effective diffusion in the worm’s centroid trajectories and introduce a top-down, operator-based clustering which reveals subtle subdivisions of the “run” behavior. POPULAR SUMMARY Complex structure is often composed from a limited set of relatively simple building blocks; such as novels from letters or proteins from amino acids. In musical composition, e.g., sounds and silences combine to form longer time scale structures; motifs form passages which in turn form movements. The challenge we address is how to identify collective variables which distinguish structures across such disparate time scales. We introduce a principled framework for learning effective descriptions directly from observations. Just as a musical piece transitions from one movement to the next, the collective dynamics we infer consists of transitions between macroscopic states, like jumps between metastable states in an effective potential landscape. The statistics of these transitions are captured compactly by transfer operators. These operators play a central role, guiding the construction of maximally-predictive short-time states from incomplete measurements and identifying collective modes via eigenvalue decomposition. We demonstrate our analysis in both stochastic and deterministic systems, and with an application to the movement dynamics of an entire organism, unravelling new insight in long time scale behavioral states directly from measurements of posture dynamics. We can, in principle, also make connections to both longer or shorter timescales. Microscopically, postural dynamics result from the fine scale interactions of actin and myosin in the muscles, and from electrical impulses in the brain and nervous system. Macroscopically, behavioral dynamics may be extended to longer time scales, to moods or dispositions, including changes during aging, or over generations due to ecological or evolutionary adaptation. The generality of our approach provides opportunity for insights on long term dynamics within a wide variety of complex systems.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,002
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,011
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,004
Score d'incertitude au seuil0,013

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0020,011
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0010,002
Communication savante0,0020,003
Science ouverte0,0020,002
Intégrité de la recherche0,0010,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,032
Tête enseignante GPT0,232
Écart entre enseignants0,200 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations8
Publié2021
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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