Shedding light onto how biological systems represent, process and store information in noisy environments is a key and challenging goal. A stimulating, though controversial, hypothesis poses that operating in dynamical regimes near the edge of a phase transition, i.e. at criticality or the "edge of chaos", can provide information-processing living systems with important operational advantages, creating, e.g., an optimal trade-off between robustness and flexibility. Here, we elaborate on a recent theoretical result, which establishes that the spectrum of covariance matrices of neural networks representing complex inputs in a robust way needs to decay as a power-law of the rank, with an exponent close to unity, a result that has been indeed experimentally verified in neurons of the mouse visual cortex. Aimed at understanding and mimicking these results, we construct an artificial neural network and train it to classify images. Remarkably, we find that the best performance in such a task is obtained when the network operates near the critical point, at which the eigenspectrum of the covariance matrix follows the very same statistics as actual neurons do. Thus, we conclude that operating near criticality can also have -- besides the usually alleged virtues -- the advantage of allowing for flexible, robust and efficient input representations.


翻译:在噪音环境中生物系统如何代表、处理和储存信息是一个关键和具有挑战性的目标。一个令人振奋但有争议的假设是,在一个阶段过渡边缘,即临界状态或“混乱的边缘”的动态系统中运作,可以提供具有重要操作优势的信息处理生活系统,例如,在稳健性和灵活性之间实现最佳权衡。在这里,我们详细介绍了最近的一个理论结果,该理论结果确定,代表复杂投入的神经网络的共变矩阵的频谱,需要作为等级的权力定律腐蚀,并具有接近统一的效果,其结果确实在老鼠视觉皮层神经元中进行了实验性核查。为了理解和模拟这些结果,我们建立了一个人工神经网络,并训练它进行图像分类。值得注意的是,我们发现当网络在关键点附近运行时,这种任务的最佳表现是取得的,在这个临界点上,作为等级的精度矩阵的精度特征需要随着与实际神经元非常相似的统计数据而腐蚀,并有接近统一性,因此,我们得出的结论是,我们通常能够灵活地展示接近临界度的优势。

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