Echo State Networks (ESN) are versatile recurrent neural network models in which the hidden layer remains unaltered during training. Interactions among nodes of this static backbone produce diverse representations of the given stimuli that are harnessed by a read-out mechanism to perform computations needed for solving a given task. ESNs are accessible models of neuronal circuits, since they are relatively inexpensive to train. Therefore, ESNs have become attractive for neuroscientists studying the relationship between neural structure, function, and behavior. For instance, it is not yet clear how distinctive connectivity patterns of brain networks support effective interactions among their nodes and how these patterns of interactions give rise to computation. To address this question, we employed an ESN with a biologically inspired structure and used a systematic multi-site lesioning framework to quantify the causal contribution of each node to the network's output, thus providing a causal link between network structure and behavior. We then focused on the structure-function relationship and decomposed the causal influence of each node on all other nodes, using the same lesioning framework. We found that nodes in a properly engineered ESN interact largely irrespective of the network's underlying structure. However, in a network with the same topology and a non-optimal parameter set, the underlying connectivity patterns determine the node interactions. Our results suggest that causal structure-function relations in ESNs can be decomposed into two components, direct and indirect interactions. The former are based on influences relying on structural connections. The latter describe the effective communication between any two nodes through other intermediate nodes. These widely distributed indirect interactions may crucially contribute to the efficient performance of ESNs.


翻译:同步状态网络(ESN)是多功能的经常性神经网络模型,其中隐藏的层层在培训期间没有改变。这个静态骨干节点的节点之间相互作用产生对特定刺激的多种表达方式,通过一个读出机制加以利用,以进行解决特定任务所需的计算。ESN是神经电路的无障碍模型,因为它们相对便宜,可以培训。因此,ESN(ESN)对研究神经结构、功能和行为之间关系的神经科学家来说,具有吸引力。例如,还不清楚大脑网络的连接模式如何支持其节点之间的有效互动,以及这些互动模式如何导致广泛计算。为了解决这个问题,我们使用了带有生物激励结构的 ENSN 网络,使用一个系统的多功能性能框架来量化每个节点对网络输出的因果关系,从而提供网络结构和行为之间的因果关系。然后,我们侧重于结构功能关系,而每个节点对所有其他节点的因果关系的反向性影响,同时使用相同的腐蚀框架。我们发现,两个节点在网络的中间结构中可以正确地进行不直接的对内层的互换。我们之前的网络的内压性结构,这些对前的内断性反应可以正确地决定ESNUR的内的任何结果。

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