記憶における脳のリズムの役割
リズミカルな脳の活動が記憶形成や認知機能をどうサポートするかを調査中。
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脳はすごく複雑な器官で、ニューロンが送る電気信号を通じてコミュニケーションを取ってるんだ。脳の活動で面白い特徴の一つがリズミカルな神経活動で、これは脳波がパターンで揺れ動くことを指してる。このリズミカルな活動は、歩いたり考えたりするのに役立つんだ。違う脳のエリアでもこういうリズムの活動が見られることがあって、明確に揺れる理由がない時でもそうなることがあるんだ。
研究者たちは、このリズムが短期記憶に関わってるかもしれないと思ってる。脳はこのリズムを内部時計みたいに使って情報を覚えるんじゃないかって言われてる。神経のスパイクのタイミングをリズムに合わせることで、脳は情報を記録して取り出すのに役立つ形でエンコードできる。最初の研究では、特に海馬という脳のエリアで、ラットを使ってこれの証拠が見つかったんだ。さらに調査を進めると、このフェーズコーディングが違う物体を分類したり、さまざまな刺激の記憶を維持することに繋がってることが分かった。
脳のリズムと認知機能
ここで出てくるのが、これらの脳のリズムが認知タスクを助ける神経プロセスとどんなふうに相互作用してるかってこと。研究者たちは、これらの相互作用が作業記憶をどうサポートするかを理解しようとしてる。作業記憶っていうのは、短期間に情報を保持したり操作したりする能力のことだと考えられてる。彼らは、認知機能が脳内のよりシンプルで低次元のシステムでモデル化できると思ってるんだ。
これを調べるために、研究者たちは再帰型ニューラルネットワーク(RNN)という人工ニューラルネットワークを使うことが多いんだ。RNNは生物学的な神経ネットワークの動きが模倣できる。柔軟性があって、いろんなダイナミックシステムを近似することができる。これらのRNNを認知タスクで訓練することで、科学者たちはこれらのシステムが情報をどう処理するかを分析することができるんだ。
ニューラルネットワークの訓練
RNNにはリズミカルな入力と特定の刺激が与えられる。研究では、これらのリズムに対するスパイクのタイミングが外部の刺激について重要な情報を持ってることが示されてる。研究者たちは、RNNの出力の揺らぎがこれらの入力の性質を反映するように訓練をするんだ。刺激に応じて特定の位相を維持するような感じで。
訓練中に情報をエンコードするための二つの異なる方法が見つかった。一つは位相コーディングってやつで、刺激のアイデンティティが揺らぎのタイミングで表されるんだ。もう一つはレートコーディングで、ユニットの平均活動レベルが刺激を示す形だ。位相コーディングは安定した動的な振る舞いに関連付けられることが多い。研究者たちは、刺激の強さや周波数といった要因がこれらのパターンにどう影響するかを示したんだ。
接続性と安定性
RNNが情報をどうやって保持してるのかを理解するために、科学者たちはネットワーク内の接続パターンを調べる。ニューロン同士がコミュニケーションを取る時、その接続が情報をどれだけ効果的に伝えられるかを決める。研究では、訓練されたRNNが二つのカップリングされた振動子のように動作することが分かった。一つの振動子は入力リズムを表し、もう一つはRNNの内部リズムを表してるんだ。
外部の刺激の影響で、これらの振動子がどう相互作用するかが一時的に変わることがあって、異なる記憶の結果を生むんだ。単純化したモデルアプローチでは、RNNを二つの異なる振動子として見ることができるシステムを作り、記憶を保持するために協力できるようにしたんだ。
これらの振動子の安定性を分析することで、科学者たちは記憶の表現が入力の強さや揺らぎの性質に応じて変わることを観察した。入力が特定のしきい値を越えると、システムが一つの記憶を他のものより優先するようになる。これは記憶の保管が動的で適応的な性質を持ってることを示してるんだ。
RNNを使った作業記憶タスク
典型的な実験では、RNNが異なる刺激を使って情報を揺らぎの位相に基づいてエンコードするように訓練される。ネットワークは参照リズムを受け取り、その刺激を正確に表す揺らぎを生成することを学ばなきゃいけない。試行の中では、RNNは刺激に基づいて独特な揺らぎの出力を出すことで学習と記憶形成を示すんだ。
刺激が一時的な場合、RNNの反応は揺らぎの位相にロックすることで刺激の記憶を保持する助けになる。この結果は、揺らぎのダイナミクスが記憶のプロセスにどう貢献するかを示してて、リズミカルな神経活動が認知機能にとって重要だっていう考えをさらに支持してるんだ。
RNNのダイナミクスの理解
訓練されたRNNを逆エンジニアリングすることで、研究者たちは認知タスクをどう解決するかを発見した。ネットワークは訓練のセットアップに基づいて位相コーディングかレートコーディングを採用する。位相コーディングの成功した実装は、記憶表現のリンクされたサイクルを生み出すことになって、リズミカルな活動が記憶形成をサポートしてることを示すんだ。
実験の単一試行は持続時間が限られてるから、観察されたダイナミクスは一時的な振る舞いから来てるか、安定した活動パターンから来てるかもしれない。これらのダイナミクスの安定性を調べるために、科学者たちはポアンカレ図という断面技術を使ったんだ。これらの図は、システム内の軌道が時間とともにどう進化するかを可視化するのに役立つ。
研究結果は、二つの異なる刺激が与えられるとRNNが異なる記憶状態間を遷移できることを示唆してる。入力に反応する行動を分析することで、研究者たちはネットワークがどうやって形成した記憶を安定させるかを探ったんだ。この安定性は認知タスクにとって重要で、信頼できる記憶へのアクセスを可能にするんだ。
記憶とリズミカルな活動への洞察
この研究は、リズミカルな脳活動が認知機能をサポートする重要性を強調してる。このリズミカルな振る舞いは一つの領域に限らず、鳥や霊長類を含むいろんな動物で観察されてる。これらのリズムが情報を位相コーディングするのを助け、脳が進行中の揺らぎに関連して記憶を処理できるようにしてるっていう提案があるんだ。
RNNが異なる刺激でどう機能するかを調べることで、研究者たちは人間の認知に当てはまる原則を発見してる。彼らの発見に基づいて、ネットワークの基盤となる接続性が生物学的システムで観察されるダイナミクスを反映してるって提案してるんだ。これらの洞察は、脳が記憶をどうエンコードして取り出すかをよりよく理解するために繋がるかもしれない。
今後の方向性
現在の研究結果は、揺らぎのダイナミクスを通じて記憶表現を理解するための基礎を提供してるけど、まだまだ探求すべきことがたくさんある。入力の周波数と振幅の関係は、記憶システムの頑健性を調べるための道を提供してくれる。今後の研究は、脳のリズムの変動が異なる文脈で認知機能にどう影響するかに焦点を当てることができるかもしれない。
複数の揺らぎのリズムの相互作用を理解することで、さまざまな刺激が私たちの記憶にどのように統合されるかについての新しい洞察が得られるかもしれない。研究者たちは、この発見を使って今後の実験に役立てたり、記憶形成の背後にある神経メカニズムをさらに深く掘り下げることができるんだ。
結論
再帰型ニューラルネットワークのダイナミクスに関するこの探求は、脳内のリズミカルな活動が認知プロセスを促進する方法に関する貴重な洞察を提供してる。この研究は、位相コーディングの重要性とそれが記憶保存にどう繋がるかを強調してる。研究者たちが神経振動と認知の関係を調査し続ける中、より堅牢なモデルが出てくるかもしれなくて、脳内の記憶システムについての理解が広がるかもしれない。RNNとその認知タスクを模倣する際の行動の継続的な研究は、記憶形成の根本的な原則を明らかにして、神経科学の未来の発展に道を開くことになるんだ。
タイトル: Trained recurrent neural networks develop phase-locked limit cycles in a working memory task
概要: Neural oscillations are ubiquitously observed in many brain areas. One proposed functional role of these oscillations is that they serve as an internal clock, or frame of reference. Information can be encoded by the timing of neural activity relative to the phase of such oscillations. In line with this hypothesis, there have been multiple empirical observations of such phase codes in the brain. Here we ask: What kind of neural dynamics support phase coding of information with neural oscillations? We tackled this question by analyzing recurrent neural networks (RNNs) that were trained on a working memory task. The networks were given access to an external reference oscillation and tasked to produce an oscillation, such that the phase difference between the reference and output oscillation maintains the identity of transient stimuli. We found that networks converged to stable oscillatory dynamics. Reverse engineering these networks revealed that each phase-coded memory corresponds to a separate limit cycle attractor. We characterized how the stability of the attractor dynamics depends on both reference oscillation amplitude and frequency, properties that can be experimentally observed. To understand the connectivity structures that underlie these dynamics, we showed that trained networks can be described as two phase-coupled oscillators. Using this insight, we condensed our trained networks to a reduced model consisting of two functional modules: One that generates an oscillation and one that implements a coupling function between the internal oscillation and external reference. In summary, by reverse engineering the dynamics and connectivity of trained RNNs, we propose a mechanism by which neural networks can harness reference oscillations for working memory. Specifically, we propose that a phase-coding network generates autonomous oscillations which it couples to an external reference oscillation in a multi-stable fashion. Author summaryMany of our actions are rhythmic--walking, breathing, digesting and more. It is not surprising that neural activity can have a strong oscillatory component. Indeed, such brain waves are common, and can even be measured using EEG from the scalp. Perhaps less obvious is the presence of such oscillations during non-rhythmic behavior--such as memory maintenance and other cognitive functions. Reports of these cognitive oscillations have accumulated over the years, and various theories were raised regarding their origin and utilization. In particular, oscillations have been proposed to serve as a clock signal that can be used for temporal-, or phase-coding of information in working memory. Here, we studied the dynamical systems underlying this kind of coding, by using trained artificial neural networks as hypothesis generators. We trained recurrent neural networks to perform a working memory task, while giving them access to a reference oscillation. We were then able to reverse engineer the learned dynamics of the networks. Our analysis revealed that phase-coded memories correspond to stable attractors in the dynamical landscape of the model. These attractors arose from the coupling of the external reference oscillation with oscillations generated internally by the network.
著者: Matthijs Pals, J. H. Macke, O. Barak
最終更新: 2024-01-31 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.04.11.536352
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.04.11.536352.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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