Deep artificial neural networks (ANNs) play a major role in modeling the visual pathways of primate and rodent. However, they highly simplify the computational properties of neurons compared to their biological counterparts. Instead, Spiking Neural Networks (SNNs) are more biologically plausible models since spiking neurons encode information with time sequences of spikes, just like biological neurons do. However, there is a lack of studies on visual pathways with deep SNNs models. In this study, we model the visual cortex with deep SNNs for the first time, and also with a wide range of state-of-the-art deep CNNs and ViTs for comparison. Using three similarity metrics, we conduct neural representation similarity experiments on three neural datasets collected from two species under three types of stimuli. Based on extensive similarity analyses, we further investigate the functional hierarchy and mechanisms across species. Almost all similarity scores of SNNs are higher than their counterparts of CNNs with an average of 6.6%. Depths of the layers with the highest similarity scores exhibit little differences across mouse cortical regions, but vary significantly across macaque regions, suggesting that the visual processing structure of mice is more regionally homogeneous than that of macaques. Besides, the multi-branch structures observed in some top mouse brain-like neural networks provide computational evidence of parallel processing streams in mice, and the different performance in fitting macaque neural representations under different stimuli exhibits the functional specialization of information processing in macaques. Taken together, our study demonstrates that SNNs could serve as promising candidates to better model and explain the functional hierarchy and mechanisms of the visual system.


翻译:深度人工神经网络(ANNs)在建模灵长类和啮齿类动物的视觉通路中发挥着重要作用。然而,相比于生物神经元,它们高度简化了神经元的计算属性。相反,脉冲神经网络(SNNs)更接近生物学上可能,因为脉冲神经元通过脉冲时间序列编码信息,就像生物神经元一样。但是,现有研究中对使用深度SNN模型鉴别视觉通路的研究不足。在本研究中,我们首次使用深度SNN模型对视觉皮层进行建模,并进行最新深度CNN和ViTs的比较。我们使用三种相似性度量标准,在两种物种下对三个神经数据集进行神经表示相似性实验。基于广泛的相似性分析,我们进一步探究了物种间的功能层次和机制。几乎所有SNN的相似性得分都高于CNN的得分,平均相似度得分增加了6.6%。得分最高的层的深度在老鼠的不同皮层区域中差异不大,但在恒河猴的不同区域中存在显著差异,这表明老鼠的视觉处理结构比恒河猴更地区均匀。此外,在一些顶级老鼠类脑神经网络中观察到的多支路结构提供了老鼠平行处理流的计算证据,并且在适应不同刺激条件下拟合恒河猴神经表示的不同表现形式展示了恒河猴信息处理的功能专门化。总之,我们的研究展示了SNNs可以作为更好地模拟和解释视觉系统功能层次和机制的有前途的候选方法。

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