Spatio-temporally efficient coding : A computational principle of biological neural networks
저자
발행사항
울산 : Ulsan National Institute of Science and Technology, 2022
학위논문사항
학위논문(박사)-- Ulsan National Institute of Science and Technology : Engineering Human Factors Engineering 2022. 8
발행연도
2022
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
울산
형태사항
82 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Kim, Sung-Phil
UCI식별코드
I804:31001-200000641211
소장기관
One of the major goals of neuroscience is to understand how the external world is represented in the brain. This is a neural coding problem: the coding from the external world to its neural representations. There are two different kinds of problems with neural coding. One is to study the types of neuronal activity that represent the external world. Representative examples here are rate coding and temporal coding. In this study, we will present the spike distance method that reads temporal coding-related information from neural data. Another is to study what principles make such neural representations possible. This is an approach to the computational principle and the main topic of the present study. The brain sensory system has hierarchical structures. It is important to find the principles assigning functions to the hierarchical structures. On the one hand, the hierarchical structures of the brain sensory system contain both bottom-up and top-down pathways. In this bidirectional hierarchical structure, two types of neuronal noise are generated. One of them is noise generated as neural information fluctuates across the hierarchy according to the initial condition of the neural response, even if the external sensory input is static. Another is noise, precisely error, caused by coding different information in each hierarchy because of the transmission delay of information when external sensory input is dynamic. Despite these noise problems, it seems that sensory information processing is performed without any major problems in the sensory system of the real brain. Therefore, a neural coding principle that can overcome these noise problems is needed; How can the brain overcome these noise problems? Efficient coding is one of representative neural coding principles, however, existing efficient coding does not take into account these noise problems. To treat these noise problems, as one of efficient coding principles, we devised spatio-temporal efficient coding, which was inspired by the efficient use of given space and time resources, to optimize bidirectional information transmission on the hierarchical structures. This optimization is to learn smooth neural responses on time domain. In simulations, we showed spatio-temporal efficient coding was able to solve above two noise problems. We expect that spatio-temporal efficient coding helps us to understand how the brain computes.
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