神经记录的进展现在在前所未有的细节中研究神经活动的机会。潜在的变量模型（LVMS）是用于分析各种神经系统和行为的丰富活动的有希望的工具，因为LVM不依赖于活动与外部实验变量之间的已知关系。然而，目前缺乏标准化目前阻碍了对神经元群体活性的LVM进行的进展，导致采用临时方式进行和比较方法。为协调这些建模工作，我们为神经人群活动的潜在变量建模介绍了基准套件。我们从认知，感官和机动领域策划了四种神经尖峰活动的数据集，以促进适用于这些地区各地的各种活动的模型。我们将无监督的评估视为用于评估数据集的模型的共同框架，并应用几个显示基准多样性的基线。我们通过评估释放此基准。 http://neurallatents.github.io.

生物视觉系统的神经基础在实验上研究很具有挑战性，特别是因为相对于视觉输入，神经元活性变得越来越非线性。人工神经网络（ANN）可以为改善我们对这一复杂系统的理解提供各种目标，不仅充当硅中新假设产生的感觉皮层的预测数字双胞胎，而且还融合了生物启发的建筑主题，以逐步桥接桥梁生物和机器视觉之间的差距。该鼠标最近已成为研究视觉信息处理的流行模型系统，但是尚未确定识别鼠标视觉系统最新模型的标准化大规模基准。为了填补这一空白，我们提出了感官基准竞赛。我们从小鼠初级视觉皮层中收集了一个大规模数据集，其中包含七个小鼠的28,000多个神经元的反应，并通过数千个自然图像刺激，以及同时的行为测量，包括跑步速度，瞳孔扩张和眼动。基准挑战将基于固定测试集​​中神经元响应的预测性能对模型进行对模型，其中包括两个模型输入的轨道，仅限于刺激（感觉到）或刺激加行为（感觉符号+）。我们提供一个起始套件，以降低进入障碍的障碍，包括教程，预训练的基线模型以及带有一条线命令以进行数据加载和提交的API。我们希望将其视为定期挑战和数据发布的起点，也是衡量鼠标视觉系统及其他大规模神经系统识别模型中进度的标准工具。

建模嘈杂的单审峰活动为基础的神经种群动力学建模对于关联神经观察和行为至关重要。最近的一种非电流方法 - 神经数据变压器（NDT） - 在没有明确动力学模型的情况下捕获具有低推理潜伏期的神经动力学方面取得了巨大成功。但是，NDT专注于建模人口活动的时间演变，同时忽略各个神经元之间的丰富协调。在本文中，我们介绍了时空神经数据变压器（STNDT），这是一种基于NDT的架构，该体系结构明确地模拟了跨时和空间中人群中单个神经元的响应，以揭示其潜在的点火率。此外，我们提出了一种对比对比学习损失，该学习损失是根据掩盖建模目标起作用的，以进一步提高预测性能。我们表明，我们的模型在估计四个神经数据集的神经活动方面达到了整体级别的最新性能，这表明其能力捕获跨越不同皮质区域的自主和非自主动力学，同时完全不知道，同时对特定的行为完全不知所措手。此外，STNDT空间注意机制揭示了神经元的始终重要子集，这些基因在推动整个人群的反应中起着至关重要的作用，从而提供了对神经元人群如何执行计算方式的可解释性和关键见解。

In the brain, information is encoded, transmitted and used to inform behaviour at the level of timing of action potentials distributed over population of neurons. To implement neural-like systems in silico, to emulate neural function, and to interface successfully with the brain, neuromorphic circuits need to encode information in a way compatible to that used by populations of neuron in the brain. To facilitate the cross-talk between neuromorphic engineering and neuroscience, in this Review we first critically examine and summarize emerging recent findings about how population of neurons encode and transmit information. We examine the effects on encoding and readout of information for different features of neural population activity, namely the sparseness of neural representations, the heterogeneity of neural properties, the correlations among neurons, and the time scales (from short to long) at which neurons encode information and maintain it consistently over time. Finally, we critically elaborate on how these facts constrain the design of information coding in neuromorphic circuits. We focus primarily on the implications for designing neuromorphic circuits that communicate with the brain, as in this case it is essential that artificial and biological neurons use compatible neural codes. However, we also discuss implications for the design of neuromorphic systems for implementation or emulation of neural computation.

在这项工作中，我们提出了一种基于从Marmoset猴的大脑收集的局部场潜在数据，提出了与帕金森病相关的新生物物理计算模型。帕金森病是一种神经退行性疾病，与大量NIGRA PARSCACTCA的多巴胺能神经元的死亡有关，这影响了大脑基底神经节 - 丘脑 - 皮质神经元电路的正常动态。尽管存在多种疾病的机制，但仍然缺少这些机制和分子发病机制的完整描述，仍然没有治愈。为了解决这种差距，已经提出了类似于动物模型中发现的神经生物学方面的计算模型。在我们的模型中，我们执行了一种数据驱动方法，其中使用差分演变优化了一组生物学限制参数。进化模型成功地类似于来自健康和Parkinsonian Marmoset脑数据的单神经元均值射击和局部场势的光谱签名。据我们所知，这是帕金森病的第一个基于来自Marmoset Monkeys的七个脑区域的同时电生理学记录的第一个计算模型。结果表明，该拟议的模型可以促进PD机制的调查，并支持可以表明新疗法的技术的发展。它还可以应用于其他计算神经科学问题，其中可以使用生物数据来适应大规模模型的脑电路。

现实世界的行为通常是由多种代理之间复杂的相互作用来塑造的。为了可靠地研究多代理行为，无监督和自我监督的学习的进步使从轨迹数据中学到了各种不同的行为表示。迄今为止，还没有一组统一的基准测试，可以在广泛的行为分析设置中进行定量和系统地比较方法。我们的目的是通过引入来自现实世界行为神经科学实验的大规模，多代理轨迹数据集来解决这一问题，该数据集涵盖了一系列行为分析任务。我们的数据集由来自通用模型生物的轨迹数据组成，其中有960万帧的小鼠数据和440万帧的飞行数据，在各种实验环境中，例如不同的菌株，相互作用的长度和光遗传学刺激。框架的子集还包括专家注销的行为标签。我们数据集的改进对应于跨多种生物的行为表示，并能够捕获常见行为分析任务的差异。

This chapter sheds light on the synaptic organization of the brain from the perspective of computational neuroscience. It provides an introductory overview on how to account for empirical data in mathematical models, implement them in software, and perform simulations reflecting experiments. This path is demonstrated with respect to four key aspects of synaptic signaling: the connectivity of brain networks, synaptic transmission, synaptic plasticity, and the heterogeneity across synapses. Each step and aspect of the modeling and simulation workflow comes with its own challenges and pitfalls, which are highlighted and addressed in detail.

我们展示了一个新的数据集和基准，其目的是在大脑活动和眼球运动的交叉口中推进研究。我们的数据集EEGEYENET包括从三种不同实验范式中收集的356个不同受试者的同时脑电图（EEG）和眼睛跟踪（ET）录像。使用此数据集，我们还提出了一种评估EEG测量的凝视预测的基准。基准由三个任务组成，难度越来越高：左右，角度幅度和绝对位置。我们在该基准测试中运行大量实验，以便根据经典机器学习模型和大型神经网络提供实心基线。我们释放了我们的完整代码和数据，并提供了一种简单且易于使用的界面来评估新方法。

通过最大化示例的不同转换“视图”之间的相似性来构建自我监督学习（SSL）构建表示的最先进的方法。然而，在用于创建视图的转换中没有足够的多样性，难以克服数据中的滋扰变量并构建丰富的表示。这激励了数据集本身来查找类似但不同的样本，以彼此的视图。在本文中，我们介绍了我自己的观点（MISOW），一种新的自我监督学习方法，在数据集中定义预测的不同目标。我们的方法背后的想法是主动挖掘观点，发现在网络的表示空间中的邻居中的样本，然后从一个样本的潜在表示，附近样本的表示。在展示计算机愿景中使用的基准测试中，我们突出了在神经科学的新应用中突出了这个想法的力量，其中SSL尚未应用。在测试多单元神经记录时，我们发现Myow在所有示例中表现出其他自我监督的方法（在某些情况下超过10％），并且经常超越监督的基线。通过MOSO，我们表明可以利用数据的多样性来构建丰富的观点，并在增强的新域中利用自我监督，其中包括有限或未知。

通常通过从单个组件的动力学上抽象来构建人口级动力学的模型来研究复杂的时变系统。但是，当构建人群级别的描述时，很容易忽略每个人，以及每个人如何贡献更大的情况。在本文中，我们提出了一种新颖的变压器体系结构，用于从时变数据中学习，该数据构建了个人和集体人口动态的描述。我们没有在一开始就将所有数据结合到我们的模型中，而是开发可分离的体系结构，该体系结构先在单个时间序列上运行，然后再将它们传递给它们。这会导致置换式属性属性，可用于跨不同大小和顺序的系统传输。在证明我们的模型可以应用于在多体系统中成功恢复复杂的相互作用和动力学之后，我们将方法应用于神经系统中的神经元种群。在神经活动数据集上，我们表明我们的多尺度变压器不仅会产生强大的解码性能，而且在转移方面提供了令人印象深刻的性能。我们的结果表明，可以从一种动物的大脑中的神经元学习并传递不同动物大脑中神经元的模型，并在集合和动物之间具有可解释的神经元对应。这一发现为解码并表示大量神经元的新途径开辟了一条新的途径。

神经活动的意义和简化表示可以产生深入了解如何以及什么信息被神经回路内处理。然而，如果没有标签，也揭示了大脑和行为之间的联系的发现表示可以挑战。在这里，我们介绍了所谓的交换，VAE学习神经活动的解开表示一种新型的无监督的办法。我们的方法结合了特定实例的排列损失，试图最大限度地输入（大脑状态）的转变观点之间的代表性相似性的生成模型框架。这些转化（或增强）视图是通过掉出神经元和抖动样品中的时间，这直观地应导致网络维护既时间一致性和不变性用于表示神经状态的特定的神经元的表示创建的。通过对从数百个不同的灵长类动物大脑的神经元的模拟数据和神经录音的评价，我们表明，它是不可能建立的表示沿有关潜在维度解开神经的数据集与行为相联系。

科学家经常使用观察时间序列数据来研究从气候变化到民间冲突再到大脑活动的复杂自然过程。但是对这些数据的回归分析通常假定简单的动态。深度学习的最新进展使从语音理解到核物理学再到竞争性游戏的复杂过程模型的表现实现了令人震惊的改进。但是深度学习通常不用于科学分析。在这里，我们通过证明可以使用深度学习，不仅可以模仿，而且可以分析复杂的过程，在保留可解释性的同时提供灵活的功能近似。我们的方法 - 连续时间反向逆转回归神经网络（CDRNN） - 放宽标准简化的假设（例如，线性，平稳性和同质性）对于许多自然系统来说是不可信的，并且可能会严重影响数据的解释。我们评估CDRNNS对人类语言处理，这是一个具有复杂连续动态的领域。我们证明了行为和神经影像数据中预测可能性的显着改善，我们表明CDRNN可以在探索性分析中灵活发现新型模式，在确认分析中对可能的混杂性提供强有力的控制，并打开否则就可以使用这些问题来进行研究，这些问题否则就可以使用这些问题来进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究。观察数据。

Recently developed methods for video analysis, especially models for pose estimation and behavior classification, are transforming behavioral quantification to be more precise, scalable, and reproducible in fields such as neuroscience and ethology. These tools overcome long-standing limitations of manual scoring of video frames and traditional "center of mass" tracking algorithms to enable video analysis at scale. The expansion of open-source tools for video acquisition and analysis has led to new experimental approaches to understand behavior. Here, we review currently available open-source tools for video analysis and discuss how to set up these methods for labs new to video recording. We also discuss best practices for developing and using video analysis methods, including community-wide standards and critical needs for the open sharing of datasets and code, more widespread comparisons of video analysis methods, and better documentation for these methods especially for new users. We encourage broader adoption and continued development of these tools, which have tremendous potential for accelerating scientific progress in understanding the brain and behavior.

Artificial neural networks that can recover latent dynamics from recorded neural activity may provide a powerful avenue for identifying and interpreting the dynamical motifs underlying biological computation. Given that neural variance alone does not uniquely determine a latent dynamical system, interpretable architectures should prioritize accurate and low-dimensional latent dynamics. In this work, we evaluated the performance of sequential autoencoders (SAEs) in recovering three latent chaotic attractors from simulated neural datasets. We found that SAEs with widely-used recurrent neural network (RNN)-based dynamics were unable to infer accurate rates at the true latent state dimensionality, and that larger RNNs relied upon dynamical features not present in the data. On the other hand, SAEs with neural ordinary differential equation (NODE)-based dynamics inferred accurate rates at the true latent state dimensionality, while also recovering latent trajectories and fixed point structure. We attribute this finding to the fact that NODEs allow use of multi-layer perceptrons (MLPs) of arbitrary capacity to model the vector field. Decoupling the expressivity of the dynamics model from its latent dimensionality enables NODEs to learn the requisite low-D dynamics where RNN cells fail. The suboptimal interpretability of widely-used RNN-based dynamics may motivate substitution for alternative architectures, such as NODE, that enable learning of accurate dynamics in low-dimensional latent spaces.

The term ``neuromorphic'' refers to systems that are closely resembling the architecture and/or the dynamics of biological neural networks. Typical examples are novel computer chips designed to mimic the architecture of a biological brain, or sensors that get inspiration from, e.g., the visual or olfactory systems in insects and mammals to acquire information about the environment. This approach is not without ambition as it promises to enable engineered devices able to reproduce the level of performance observed in biological organisms -- the main immediate advantage being the efficient use of scarce resources, which translates into low power requirements. The emphasis on low power and energy efficiency of neuromorphic devices is a perfect match for space applications. Spacecraft -- especially miniaturized ones -- have strict energy constraints as they need to operate in an environment which is scarce with resources and extremely hostile. In this work we present an overview of early attempts made to study a neuromorphic approach in a space context at the European Space Agency's (ESA) Advanced Concepts Team (ACT).

为了在专门的神经形态硬件中进行节能计算，我们提出了尖峰神经编码，这是基于预测性编码理论的人工神经模型家族的实例化。该模型是同类模型，它是通过在“猜测和检查”的永无止境过程中运行的，神经元可以预测彼此的活动值，然后调整自己的活动以做出更好的未来预测。我们系统的互动性，迭代性质非常适合感官流预测的连续时间表述，并且如我们所示，模型的结构产生了局部突触更新规则，可以用来补充或作为在线峰值定位的替代方案依赖的可塑性。在本文中，我们对模型的实例化进行了实例化，该模型包括泄漏的集成和火灾单元。但是，我们系统所在的框架自然可以结合更复杂的神经元，例如Hodgkin-Huxley模型。我们在模式识别方面的实验结果证明了当二进制尖峰列车是通信间通信的主要范式时，模型的潜力。值得注意的是，尖峰神经编码在分类绩效方面具有竞争力，并且在从任务序列中学习时会降低遗忘，从而提供了更经济的，具有生物学上的替代品，可用于流行的人工神经网络。

多代理行为建模旨在了解代理之间发生的交互。我们从行为神经科学，Caltech鼠标社交交互（CALMS21）数据集中提供了一个多代理数据集。我们的数据集由社交交互的轨迹数据组成，从标准居民入侵者测定中自由行为小鼠的视频记录。为了帮助加速行为研究，CALMS21数据集提供基准，以评估三种设置中自动行为分类方法的性能：（1）用于培训由单个注释器的所有注释，（2）用于风格转移以进行学习互动在特定有限培训数据的新行为学习的行为定义和（3）的注释差异。 DataSet由600万个未标记的追踪姿势的交互小鼠组成，以及超过100万帧，具有跟踪的姿势和相应的帧级行为注释。我们的数据集的挑战是能够使用标记和未标记的跟踪数据准确地对行为进行分类，以及能够概括新设置。

在过去的几十年中，人工智能领域大大进展，灵感来自生物学和神经科学领域的发现。这项工作的想法是由来自传入和横向/内部联系的人脑中皮质区域的自组织过程的过程启发。在这项工作中，我们开发了一个原始的脑激发神经模型，将自组织地图（SOM）和Hebbian学习在重新参与索马里（RESOM）模型中。该框架应用于多模式分类问题。与基于未经监督的学习的现有方法相比，该模型增强了最先进的结果。这项工作还通过在名为SPARP（自配置3D蜂窝自适应平台）的专用FPGA的平台上的模拟结果和硬件执行，演示了模型的分布式和可扩展性。头皮板可以以模块化方式互连，以支持神经模型的结构。这种统一的软件和硬件方法使得能够缩放处理并允许来自多个模态的信息进行动态合并。硬件板上的部署提供了在多个设备上并行执行的性能结果，通过专用串行链路在每个板之间的通信。由于多模式关联，所提出的统一架构，由RESOM模型和头皮硬件平台组成的精度显着提高，与集中式GPU实现相比，延迟和功耗之间的良好折衷。

这篇理论文章研究了如何在计算机中构建类似人类的工作记忆和思维过程。应该有两个工作记忆存储，一个类似于关联皮层中的持续点火，另一个类似于大脑皮层中的突触增强。这些商店必须通过环境刺激或内部处理产生的新表示不断更新。它们应该连续更新，并以一种迭代的方式进行更新，这意味着在下一个状态下，应始终保留一组共同工作中的某些项目。因此，工作记忆中的一组概念将随着时间的推移逐渐发展。这使每个状态都是对先前状态的修订版，并导致连续的状态与它们所包含的一系列表示形式重叠和融合。随着添加新表示形式并减去旧表示形式，在这些更改过程中，有些保持活跃几秒钟。这种持续活动，类似于人工复发性神经网络中使用的活动，用于在整个全球工作区中传播激活能量，以搜索下一个关联更新。结果是能够朝着解决方案或目标前进的联想连接的中间状态链。迭代更新在这里概念化为信息处理策略，一种思想流的计算和神经生理决定因素以及用于设计和编程人工智能的算法。

预测性编码提供了对皮质功能的潜在统一说明 - 假设大脑的核心功能是最小化有关世界生成模型的预测错误。该理论与贝叶斯大脑框架密切相关，在过去的二十年中，在理论和认知神经科学领域都产生了重大影响。基于经验测试的预测编码的改进和扩展的理论和数学模型，以及评估其在大脑中实施的潜在生物学合理性以及该理论所做的具体神经生理学和心理学预测。尽管存在这种持久的知名度，但仍未对预测编码理论，尤其是该领域的最新发展进行全面回顾。在这里，我们提供了核心数学结构和预测编码的逻辑的全面综述，从而补充了文献中最新的教程。我们还回顾了该框架中的各种经典和最新工作，从可以实施预测性编码的神经生物学现实的微电路到预测性编码和广泛使用的错误算法的重新传播之间的紧密关系，以及对近距离的调查。预测性编码和现代机器学习技术之间的关系。