論文の概要: Modeling Latent Neural Dynamics with Gaussian Process Switching Linear Dynamical Systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2408.03330v2
• Date: Sat, 23 Nov 2024 00:47:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-11-26 14:16:29.628889
• Title: Modeling Latent Neural Dynamics with Gaussian Process Switching Linear Dynamical Systems
• Title（参考訳）: 線形力学系をスイッチングするガウス過程を用いた潜在ニューラルダイナミクスのモデル化
• Authors: Amber Hu, David Zoltowski, Aditya Nair, David Anderson, Lea Duncker, Scott Linderman,
• Abstract要約: ガウス過程スイッチング線形力学系(gpSLDS)の2つの目的をバランスさせるアプローチを開発する。 我々の手法は、非線形力学をガウス過程(GP-SDE)で記述した微分方程式による潜在状態の進化をモデル化した以前の研究に基づいている。 本手法は, 離散状態境界近傍の力学における人工振動など, rSLDS の重要な限界を解消するとともに, 力学の後方不確かさを推定する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.170477444239546
• License:
• Abstract: Understanding how the collective activity of neural populations relates to computation and ultimately behavior is a key goal in neuroscience. To this end, statistical methods which describe high-dimensional neural time series in terms of low-dimensional latent dynamics have played a fundamental role in characterizing neural systems. Yet, what constitutes a successful method involves two opposing criteria: (1) methods should be expressive enough to capture complex nonlinear dynamics, and (2) they should maintain a notion of interpretability often only warranted by simpler linear models. In this paper, we develop an approach that balances these two objectives: the Gaussian Process Switching Linear Dynamical System (gpSLDS). Our method builds on previous work modeling the latent state evolution via a stochastic differential equation whose nonlinear dynamics are described by a Gaussian process (GP-SDEs). We propose a novel kernel function which enforces smoothly interpolated locally linear dynamics, and therefore expresses flexible -- yet interpretable -- dynamics akin to those of recurrent switching linear dynamical systems (rSLDS). Our approach resolves key limitations of the rSLDS such as artifactual oscillations in dynamics near discrete state boundaries, while also providing posterior uncertainty estimates of the dynamics. To fit our models, we leverage a modified learning objective which improves the estimation accuracy of kernel hyperparameters compared to previous GP-SDE fitting approaches. We apply our method to synthetic data and data recorded in two neuroscience experiments and demonstrate favorable performance in comparison to the rSLDS.
• Abstract（参考訳）: 神経集団の集団活動がどのように計算や行動に関係しているかを理解することは神経科学の重要な目標である。 この目的のために、低次元潜在力学の観点から高次元のニューラル時系列を記述する統計学的手法は、ニューラルシステムの特徴付けにおいて基本的な役割を担っている。 しかし、成功した方法を構成するものは、(1)複雑な非線形力学を捉えるのに十分な表現力を持つべき方法、(2)より単純な線形モデルによってのみ保証される解釈可能性の概念を維持すべき方法である。 本稿では,ガウス過程スイッチング線形力学系 (gpSLDS) の2つの目的をバランスさせるアプローチを開発する。 本手法は, 非線形力学をガウス過程(GP-SDEs)で記述した確率微分方程式を用いて, 潜在状態の進化をモデル化する。 そこで我々は, 線形力学系 (rSLDS) のリカレントスイッチングと同様に, 線形力学をスムーズに補間し, フレキシブルかつ解釈可能な, 動的に表現するカーネル関数を提案する。 本手法は, 離散状態境界近傍の力学における人工振動など, rSLDS の重要な制限を解消するとともに, 力学の後方不確かさを推定する。 本モデルに適合させるために,従来のGP-SDE適合手法と比較してカーネルハイパーパラメータの推定精度を向上させる改良された学習目標を利用する。 2つの神経科学実験で記録された合成データとデータに本手法を適用し,rSLDSと比較して良好な性能を示した。

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