Neural networks are high-dimensional nonlinear dynamical systems that process information through the coordinated activity of many interconnected units. Understanding how biological and machine-learning networks function and learn requires knowledge of the structure of this coordinated activity, information contained in cross-covariances between units. Although dynamical mean field theory (DMFT) has elucidated several features of random neural networks -- in particular, that they can generate chaotic activity -- existing DMFT approaches do not support the calculation of cross-covariances. We solve this longstanding problem by extending the DMFT approach via a two-site cavity method. This reveals, for the first time, several spatial and temporal features of activity coordination, including the effective dimension, defined as the participation ratio of the spectrum of the covariance matrix. Our results provide a general analytical framework for studying the structure of collective activity in random neural networks and, more broadly, in high-dimensional nonlinear dynamical systems with quenched disorder.


翻译:神经网络是高维的非线性动态系统,通过许多相互关联的单元的协调活动处理信息。了解生物和机器学习网络如何运作和学习需要了解这一协调活动的结构,这种信息存在于各个单元之间的交叉变量中。虽然动态平均实地理论(DMFT)已经阐明了随机神经网络的若干特征,特别是它们可能造成混乱活动,但现有的DMFT方法并不支持跨变量的计算。我们通过两处的洞穴法扩大DMFT方法,解决了这一长期问题。这第一次揭示了活动协调的若干空间和时间特征,包括有效维度,被定义为共变矩阵的频谱的参与率。我们的成果为研究随机神经网络中集体活动的结构,以及更广泛地说,在高维非线性的非线性动态系统中研究结肠系统的集体活动结构提供了一个一般性分析框架。

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