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Enregistrement W3169680613 · doi:10.1162/neco_a_01401

Learning Brain Dynamics With Coupled Low-Dimensional Nonlinear Oscillators and Deep Recurrent Networks

2021· article· en· W3169680613 sur OpenAlexaff
Germán Abrevaya, Guillaume Dumas, Aleksandr Y. Aravkin, Peng Zheng, Jean-Christophe Gagnon-Audet, James Kozloski, Pablo Polosecki, Guillaume Lajoie, David Cox, Silvina Ponce Dawson, Guillermo Cecchi, Irina Rish

Notice bibliographique

RevueNeural Computation · 2021
Typearticle
Langueen
DomainePhysics and Astronomy
ThématiqueModel Reduction and Neural Networks
Établissements canadiensUniversité de MontréalMila - Quebec Artificial Intelligence InstituteCentre Hospitalier Universitaire Sainte-Justine
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésInterpretabilityComputer scienceArtificial intelligenceAutoregressive modelDynamical systems theoryArtificial neural networkNonlinear systemOdeMachine learningMathematicsApplied mathematicsPhysics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Many natural systems, especially biological ones, exhibit complex multivariate nonlinear dynamical behaviors that can be hard to capture by linear autoregressive models. On the other hand, generic nonlinear models such as deep recurrent neural networks often require large amounts of training data, not always available in domains such as brain imaging; also, they often lack interpretability. Domain knowledge about the types of dynamics typically observed in such systems, such as a certain type of dynamical systems models, could complement purely data-driven techniques by providing a good prior. In this work, we consider a class of ordinary differential equation (ODE) models known as van der Pol (VDP) oscil lators and evaluate their ability to capture a low-dimensional representation of neural activity measured by different brain imaging modalities, such as calcium imaging (CaI) and fMRI, in different living organisms: larval zebrafish, rat, and human. We develop a novel and efficient approach to the nontrivial problem of parameters estimation for a network of coupled dynamical systems from multivariate data and demonstrate that the resulting VDP models are both accurate and interpretable, as VDP's coupling matrix reveals anatomically meaningful excitatory and inhibitory interactions across different brain subsystems. VDP outperforms linear autoregressive models (VAR) in terms of both the data fit accuracy and the quality of insight provided by the coupling matrices and often tends to generalize better to unseen data when predicting future brain activity, being comparable to and sometimes better than the recurrent neural networks (LSTMs). Finally, we demonstrate that our (generative) VDP model can also serve as a data-augmentation tool leading to marked improvements in predictive accuracy of recurrent neural networks. Thus, our work contributes to both basic and applied dimensions of neuroimaging: gaining scientific insights and improving brain-based predictive models, an area of potentially high practical importance in clinical diagnosis and neurotechnology.

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)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
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 enseignants0,006
Score d'incertitude au seuil0,011

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,001
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

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 Opus0,006
Tête enseignante GPT0,229
Écart entre enseignants0,223 · 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

Citations5
Publié2021
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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