Artificial neural network (ANN) is a versatile tool to study the neural representation in the ventral visual stream, and the knowledge in neuroscience in return inspires ANN models to improve performance in the task. However, it is still unclear how to merge these two directions into a unified framework. In this study, we propose an integrated framework called Deep Autoencoder with Neural Response (DAE-NR), which incorporates information from ANN and the visual cortex to achieve better image reconstruction performance and higher neural representation similarity between biological and artificial neurons. The same visual stimuli (i.e., natural images) are input to both the mice brain and DAE-NR. The encoder of DAE-NR jointly learns the dependencies from neural spike encoding and image reconstruction. For the neural spike encoding task, the features derived from a specific hidden layer of the encoder are transformed by a mapping function to predict the ground-truth neural response under the constraint of image reconstruction. Simultaneously, for the image reconstruction task, the latent representation obtained by the encoder is assigned to a decoder to restore the original image under the guidance of neural information. In DAE-NR, the learning process of encoder, mapping function and decoder are all implicitly constrained by these two tasks. Our experiments demonstrate that if and only if with the joint learning, DAE-NRs can improve the performance of visual image reconstruction and increase the representation similarity between biological neurons and artificial neurons. The DAE-NR offers a new perspective on the integration of computer vision and neuroscience.


翻译:人工神经网络(ANN)是一个多用途工具,用于研究神经神经在呼吸视觉流中的神经表现,神经科学方面的知识反过来激励了ANN模型来提高任务绩效。然而,如何将这两个方向整合到一个统一的框架还不清楚。在本研究中,我们提议了一个名为深自动编码器与神经反应(DAE-NR)的综合框架,它包含来自ANN和视觉皮层的信息,以更好地在生物神经和人工神经神经之间实现图像重建性能和更高神经神经代表度的相似性。同样的视觉神经科学(即自然图像)是向人工小鼠大脑和DAE-NR提供的视觉神经科学模型提供的投入。DAE-NR的编码者共同学习神经神经峰起的编码和图像重建的相互依赖性。对于神经元系统的具体隐藏层的特征,通过绘图功能来改变,以预测在图像重建的制约下地面神经神经反应反应的响应。对于图像重建任务来说,由摄像头获得的隐性代表,如果通过对DNA进行原始的学习,那么这些DNA的模型的整合作用,则通过DNA的初始的学习来恢复。

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