可能的方向
实验(联合西湖大学)
-
Integrator dynamics in the cortico-basal ganglia loop for flexible motor timing
-
An approximate line attractor in the hypothalamus encodes an aggressive state
-
A circuit that integrates drive state and social contact to gate mating
-
A line attractor maintains aggressiveness during feeding in 'hangry' mice
-
Encoding of female mating dynamics by a hypothalamic line attractor
-
Causal evidence of a line attractor encoding an affective state
meta-learning(biologically plausible learning rule)
-
The neural computation of affective internal states in the hypothalamus - A dynamical systems perspective
-
A line attractor encoding a persistent state requires neuropeptide signaling
自下而上的方法: 通过病毒和基因编辑, 钙成像神经活动, 研究同一区域(腹内侧下丘脑 VMH)不同神经调节受体(催产素 OXT, 精氨酸加压素 AVP) 局部失活的影响.
社交行为(如攻击性)的神经元集群可构成一个近似线性吸引子.
- Integration as a self-organizing process
embeded continuous attractors with random rnn
random rnn(DMFT), random matrix theory
- Symmetries and continuous attractors in disordered neural circuits
John Hopfield (Symmetric)
Associative Memory
discrete fixed point
degenerate manifold
Examples
- occular motor control
- ring attractors(head direction cells)
- place cells
- intrinsic behavior(aggression, mating...)
-
Existing model/theory
- Fine tuned connectivity
- 1996 S.Seung PNAS
$$ \tau\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = Ax + \xi_{\tau} $$
-
Biological noisyness
问题: 是否存在一套学习规则, 使得神经网络在接受到一些实验数据的时候, 可以在无监督下自组织出对应的连续吸引子网络, 从而将现实世界的某低维变量嵌入到高维的 RNN 相空间中?
- 实验数据是否存在低维流形
2020: Manifold GPLVMs for discovering non-Euclidean latent structure in neural data 流形高斯过程隐变量模型: 还原了 Head Direction 的环结构
2018: Learning a latent manifold of odor representations from neural responses in piriform cortex: 不是证明了气味分子在现实世界构成低维流形, 而是从小鼠 piriform cortex 的神经活动中能够反推一个能解释这些响应的潜在嗅觉表征空间
-
能否在无监督下自组织, 从而恢复流形的 latent variable
-
是否存在某种生物学上可行的学习规则, 使得 RNN 能够将流形映射到自己的相空间中
Oja rule: Discovering plasticity rules that organize and maintain neural circuits
- 是否有不同的流形可以拓展应用目前学习的 random RNN 的理论框架?
- 线性吸引子: 能否构造一个协方差矩阵, 使得生成的调谐曲线能满足 aggression 等表征?
- 蝙蝠: (目前尚未查到比较完整的数据集) Three-dimensional head-direction coding in the bat brain: 并未构成想象中的球面吸引子, 而更像是一个环面吸引子
meeting notes:
-
$(\cos{\theta}, \sin{\theta})\rightarrow \vec{x}\in\mathbb{R}^{N}\rightarrow \mathrm{bump}$ 设计 $\Delta J_{ij}$, 使得具有一定初始化规则创建的 J0 通过具有一定内在结构的外部输入更新权重, 从而收敛至 optimized J matrix, 并且其更新规则需要是 local 的(而非机器学习中的梯度下降算法这类依赖于全局状态的方法)
-
线性吸引子: 搞清楚积分变量的累积是否具有方向性, 以及和速度输入的关系, aggression 是否能够用类扩散行为来描述. 比如小鼠的和 aggression 相关存在类似线性吸引子的机制, 攻击性的累积具体是怎样的机制? 这个需要具体确认一下(因为头朝向是一个旋转对称的系统, 而线性吸引子并不具有这个特性: 往一个方向和另一个方向的漂移是代表同一个生理过程吗? 还是往一个方向积分是提高攻击性, 另一个方向是减少攻击性? ...)
-
place cell 是否可以应用于 random RNN 理论框架 (是不是对 $\Gamma$ 协方差函数的 M matrix 进行修改, 以及新的协方差函数应该如何设计从而适应 place cell 单 bump 以及多 bump 的结构, grid cell 是六角晶格分布的 bump 因此两者还是存在神经集群活动模式的区别)
-
论文阅读:
- S. Seung 1996 PNAS: How the brain keeps the eyes still
- David Trank
-
继续 Follow 有关 3D 蝙蝠 head direction 的相关工作, 对其进行了解
-
补充的论文阅读材料:
- Multiscale representation of very large environments in the hippocampus of flying bats
- Large environments reveal the statistical structure governing hippocampal representations
- Universal statistics of hippocampal place fields across species and dimensionalities
- A thalamus-brainstem attractor network drives history-biased decisions
思路:
-
通过 universal... 的 place cells 数据集, 使用 symmetries... 中的 random RNN 框架, 先尝试构造 target manifold 以及对应的 weight matrix
- Data for "Multiscale representation of very large environments in the hippocampus of flying bats": Eliav CA1 200m 一维隧道数据

- *rats navigating in an 18.6 m² environment: 无法打开? 大 2D 环境大鼠 CA1 数据
- *蝙蝠在 5.8×4.6×2.7m3 房间中自由飞行时的 3D place fields: 未公开
- *1D 其它啮齿类: 小鼠 40 m virtual track 和大鼠 48 m 1D maze: 未公开
- Place Cells in Space: Hippocampal Recordings from the Space Shuttle: 1998 年小鼠漫游太空(dandi001754)
- CRCNS 各类数据集...

现实世界位置 $\vec{r}\in\Omega\subset\mathbb{R}^{D}$; 单神经元 $i$ 的 place field $\phi_{i}^{*}(\vec{r})$ (在 $\vec{r}$ 的平均放电率)
文章声称在高阈值条件下, field size, gap, Euler characteristic 等刻画 place field 的参数, 统计对于具体选取哪一个协方差函数并不敏感, 因此可以采用
$$ \Gamma(\vec{x}-\vec{x}^{\prime}) = A^{2}\exp{\left[-\frac{|\vec{x}-\vec{x}^{\prime}|^{2}}{2l^{2}}\right]} $$

异质性 place cell 的解码: $\hat{\vec{r}}(t) = \arg\max_{\vec{r}} \mathrm{Match}\left[\vec{\phi}(t), \vec{\phi}(\vec{r})\right]$
其中匹配算法有多种选择, 比如 Maximum likelihood 的 Poisson 核, overlap parameter (Clark 就是用的这个方法 $m(\theta,t) = \frac{1}{N}\sum_{i}\phi_{i}^{*}(\theta)\phi_{i}(t)$)等等.
-
通过 Gaussian process 构造的通性:
- Clark:
- 现实状态: 头朝向 $\theta\in [0,2\pi]$
- 随机变量: 输入电流场 $\vec{x}^{*}_{i}\sim \mathcal{N}(0,\mathbf{\Gamma}^{x}(\theta-\theta^{\prime}))$
- 非线性激活函数: $\phi(x) = 1 + \mathrm{erf}\left(\frac{\beta\sqrt{\pi}}{2}x\right)$
- Mainali:
- 现实状态: 位矢 $\vec{x}\in\mathbb{R}^{D}$,
- 随机变量: 输入电流场 $h(\vec{x})\sim \mathcal{GP}[\vec{0},\mathbf{r}(\vec{x}-\vec{x}^{\prime})]$
- 非线性激活函数: $f(\vec{x}) = \left[h(\vec{x}) - q\sqrt{\mathbf{r}(\vec{0})}\right]$
日期: 2026-06-13 标签: #line attractor随机变量 $\vec{x}\in\mathbb{R}^{d}$, 约束 $E[\vec{x}]=\vec{\mu}$ 和 $\mathrm{Cov}[\vec{x}] =\Sigma$.熵 $h[p(\vec{x})] = -\int p(\vec{x})\log{p(\vec{x})}\mathrm{d}\vec{x}$ 最大的是 $g(\vec{x}) = \frac{1}{(2\pi)^{\frac{d}{2}}|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}\exp{\left[-\frac{1}{2}(\vec{x}-\vec{\mu})^T\Sigma^{-1}(\vec{x}-\vec{\mu})\right]}$.
- Clark:
-
*学习规则: 什么样的学习规则能使 weight matrix 学习到 Gaussian process?
-
确认小鼠线性吸引子的具体理论机制
-
agg 主要的驱动因素是社会交互(male intruder, sniffing, attack...)的相关输入, 而没有考虑类 random walk 的自发性升高机制
-
类比眼位 $E$ 的 $v_{i} = v_{i}^{0} + k_{i}E$, aggression 的 $a(t)\in\mathbb{R}$ 是一种一维连续变量, 引入 latent state $x_{1}$ 来描述 integration dimension, $x_{1}$ 越高, 攻击概率和攻击程度越高.
-
因此, 即使 $\lambda=0$ 描述刻画了线性吸引子 $\pm$ 增长的 neutral stability, 但是 aggression 仍应被理解为一个具有方向性的积分器: $x_{1}\uparrow$, agg $\uparrow$; $x_{1}\downarrow$, agg $\downarrow$.
-
aggression 不能简单地被理解为 integrate-and-fire 行为. 以 $a$ 表示 aggression 变量
$$ \begin{aligned} \dot{a}(t) &= -\frac{a(t)-a_{0}}{\tau} + v_{\mathrm{social}}(t) + v_{\mathrm{state}}(t) + \xi(t)\\ P(\mathrm{attack}) &= \sigma[\beta(a(t)-a_{\mathrm{thresh}})]\end{aligned} $$
即没有后续社交或饥饿等输入后, aggression 会以很慢的速度往 baseline $a_{0}$ 跌落. 若将其放置于一个短时系统中, 将会表现出 history dependence. 积分总是从当前状态 $a(t)$ 开始
并且, 在攻击产生之后, $a$ 值也不会立刻归零, 高 $a$ 可持续约 80s, 而单次 attack bout 仅持续 5s. 这也确保了小鼠从攻击到进食行为的切换: 在进食完毕后仍保留较高的 $a$.
-
Todo:
-
*阅读 A thamalus-brainstem attractor network drives history-biased decisions, 探索是否有将其和 random RNN 框架结合的可能性
-
Follow 有关 universal statistics of hippocampal place fields across species and dimensionalities 的工作中和学习规则有关的部分
-
做一个小型的 weight matrix learning 实验, 看下能不能通过 local learning rule 逼近 $J_{ij}$ 矩阵
Clark: 通过 $K^{-1}_{i,\lambda}$ 离线优化 $J$
切入口: 将伪逆解替换为 online learning rule
meeting notes:
课题:
-
目前 Clark 已实现 offline 的 optimized weight matrix 用于产生 ring attractor, 是否存在某种 local learning rule 能够逼近这类 optimized weight matrix?
$\dot{J}_{ij} = F[\vec{r}(t), J_{ij}]$
-
是否可以将 Clark 的方法推广至 place cells 相关数据集?
-
复现 Clark disordered ring attractor 的实验平台和动力学
-
系统测试 classical local learning rules 是否能从 sensory-clamped heterogeneous activity(感知输入引起的异质性神经活动) 自组织出 quasi-continuous attractor
-
使用 meta-learning 在 local rule basis 上搜索最小 plasticity motif, 并解释其与经典 Hebbian/Oja/BCM 等 plasticity 的关系
meeting notes:
课题的艰难探索
-
完成 Hebbian 等 learning rule 的 baseline 实现
- Classical continuous attractor
- Heterogeneous tuning curve
-
Literature research
- CA3 数据集寻找 (dandi...)
- attractor in hippocampus 相关论文
- 以及更多...
-
Proposal 确定
- 找到感兴趣的方向, 找到自己想要解决的问题 (只是把现有的 random RNN 推广到 place cell 数据集上, 这种缝合行为是一个真正的问题吗? )
神经回路如何在没有 global error signal 的情况下, self-organize 并且 maintain some low-dim dynamical motif
低维神经动力学如何在异质, 随机, 局部可塑的神经网络中形成并且维持? (How can low dimensional dynamical motifs self-organize and maintain in neural circuits without global error signal)
Clark's random RNN: 提供了一套分析逻辑, 用于判断是否出现了 continuous attractor

