2026年10月19日
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arXiv

失われたニューロンより長く続く神経表現

AI が描いたイメージ

NeuroLensは、埋め込み型の音声・運動インターフェースを、変化する神経記録への依存から lessにする可能性がある一方、より難しい科学的な問いを未解決のまま残している。著者らはマウスの53日分のセッションでモデルを訓練し、時間がたっても課題に関係する表現が保たれるかを検証した。リハビリテーション・クリニックで使うなら、発話の試みがテキストになる前に短いキャリブレーション運動を行うことになる。ただし、その表現が多くのインプラント、利用者、課題、そしてより長い期間にわたって保たれることが条件である。

毎日、ブレイン・コンピューター・インターフェースは同じ問題の小さな版に直面する。脳そのものは必ずしも変わっていないのに、記録は変化している。電極はずれることがあり、信号は弱くなり、電極が拾う近くのニューロンも変わる。したがって、昨日は電気活動をカーソルの動きやテキストに変換できたシステムが、今日は新たなキャリブレーションを必要とするかもしれない。科学者にとって、この問題はさらに難しい。異なる信号は、その動物が学習していることを意味するのかもしれないし、電極が別の細胞を聞くようになっただけかもしれない。

脳をのぞく不安定な窓

埋め込まれた電極は、脳全体を記録するわけではない。変化するニューロンの集団から活動を記録している。それでも、その集団が変わっても同じ行動が続くことがある。多くのニューロンが同じ結果を生み出す助けになれるからである。

多くの神経モデルは、記録された活動そのものを再構成または予測しようとする。それによって有用な情報を保てる一方、その日の記録に固有のノイズや癖まで保ってしまうこともある。後の日にテストされるモデルは、同じ日に集めた新しい例でテストされるモデルより厳しい試験を受ける。入力が変化しているからである。

これは特に音声インターフェースにとって重要である。音素、つまり話し言葉の一部のような小さな音の単位をデコードすることは、文全体の意味をデコードすることと同じではない。役立つ音声システムは、脳内の短時間の運動パターンだけでなく、人が何を言おうとしているのかを捉えなければならない。

意味を保つモデル

NeuroLensは別の方法を取る。記録された信号を一つ残らず再現しようとするのではなく、脳の将来の内部表現を予測するのである。この表現は、課題に関する情報を保ちながら、特定の日の記録に結びついた細部を取り除くことを目指す、コンパクトなパターンである。

モデルはまず、短いキャリブレーション試行を使って、記録された各ニューロンの特徴を作る。その特徴は、ニューロンが発火する頻度、発火の時間パターン、そして集団の他のニューロンとどれほど密接に働くかを表す。日ごとに適応するエンコーダーはその特徴を使い、変化するニューロン集団を共通の空間に配置する。その空間では、変化したニューロンをすべて新しい計算として扱わずに、異なる日の活動を比較できる。

著者らは、すべての例にラベルを付ける必要なしにNeuroLensを訓練した。その予測システムは過去の潜在状態を見て、将来の状態を予測する。すべての入力が、情報を持たない同じ定数に縮められるのを防ぐための制約も加えられている。

およそ3か月にわたる、1匹のマウスの53日分のセッションを使ったテストでは、モデルを初期の日々で訓練し、後の日々でテストした。著者らによると、比較モデルよりも動物の左右の選択をうまくデコードでき、その改善幅は動きよりも選択で大きかった。ALSによる構音不能がある2人が、画面に表示された文を発話しようとした際の記録では、NeuroLensは音素のデコードよりも文の意味のデコードを大きく改善した。文埋め込みのデコードで報告された改善幅は38%で、音素のデコードでは4%から16%だった。

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Figure 1: NeuroLens framework. (A) Model overview. A day-adaptive encoder maps spike counts at each time bin to latent representations, and an autoregressive (AR) predictor shared across days predicts future latents from past latents. The model is trained using a latent prediction loss together with SIGReg loss to prevent representation collapse. (B-C) Day-adaptive cross-attention encoder based on calibration data. At each time bin, an MLP independently projects each neuron’s spike count into a neuron token. These tokens serve as the keys and values of the cross-attention module. Because attention is permutation-invariant, we distinguish neuron identities using calibration trials sampled from each recording day. From these trials, we compute firing-rate statistics, autocorrelograms (ACGs), and population coupling to generate a signature for each neuron. A second MLP maps these signatures to neuron embeddings, which are concatenated with brain-region embeddings and added to the corresponding neuron tokens. Learned queries then aggregate the variable-length sequence of neuron tokens through cross-attention, producing a fixed number of latent embeddings for the AR predictor. Processing each time bin independently prevents temporal leakage, while calibration-based neuron embeddings enable adaptation to previously unseen neural populations across recording days.## 4 Methods 出典: NeuroLens: Learning Latent Embeddings of Neural Semantics from Chronic Recordings(arXiv)

より安定したインターフェースが変えるもの

リハビリテーション・クリニックでは、埋め込み型の音声インターフェースを使う人は、長い再訓練を行う代わりに、短いキャリブレーション運動からセッションを始められる可能性がある。共通の表現が信頼できる状態を保てば、記録されるニューロンが変化しても、システムは発話の試みをテキストに変換し続けられる。同じ考え方によって、カーソルを操作するシステムなど、埋め込み型の運動インターフェースの再キャリブレーションも減らせる可能性がある。

神経科学者にとって、利点は別のものになる。失われたり位置がずれたりしたニューロンの一つ一つが、脳の基礎にある計算の変化を証明すると考えずに、数週間、数か月にわたる集団活動を比較できるようになる。その結果、長期にわたる学習研究を解釈しやすくなる可能性がある。

しかしNeuroLensは、最も重要な科学的な問いをまだ解決していない。この手法では、学習や行動による変化と、脳そのものに固有の変化を切り分けられない。人間を対象にした時間をまたぐテストでは、少数例適応の成績が悪かった。そのためモデルは、各参加者の訓練データを使って完全にファインチューニングしなければならなかった。長い再訓練ではなく短いキャリブレーションにするという著者らの将来像は、ここでテストしたものより多くのインプラント、人、課題、そして長い期間にわたって表現が機能することにかかっている。

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Figure 3: NeuroLens learns neural representations that generalize across time, enabling rapid adaptation to unseen neural populations and more stable decoding than SOTA baselines. (A) The mouse makes increasingly accurate decisions about the visual stimulus location from April to June, while the number of simultaneously recorded neurons decreases over time. We pretrain on the first 39 days and test generalization on the held-out last 14 days. (B) Across 14 held-out days, NeuroLens outperforms baselines in choice and movement decoding, demonstrating better generalization across time. (C) Comparison of predicted movement-related behavior averaged across all trials (top) and predicted behavior from single trials (bottom), shown to demonstrate that the baselines can predict trial-to-trial variability in behaviors. The R2R^{2} values for both trial-average and single-trial behavior are shown. The dashed line shows the stimulus onset. (D) T12 and T15 show clear day-to-day distribution shifts in neural activity. We hold out the last 5 and 9 days, respectively, for testing and pretrain on the remaining days. (E) NeuroLens (FT, full fine-tuning) consistently outperforms baselines in phoneme and sentence embedding decoding across 5 (T12) and 9 (T15) held-out days, reflecting better generalization over time. Lower phoneme error rate (PER) and higher top-5 sentence retrieval accuracy indicate better decoding performance. (F) Latent trajectories for different phoneme onsets, projected onto the first three PCs, across held-out days in T15. Dark (light) lines show averaged (individual) time windows. NeuroLens shows clearer phoneme separation than causal NDT, indicating better held-out adaptation, quantified by LDA balanced classification accuracy.### 5.2 Generalization Across Time 出典: NeuroLens: Learning Latent Embeddings of Neural Semantics from Chronic Recordings(arXiv)

Sources

arXiv, “NeuroLens: Learning Latent Embeddings of Neural Semantics from Chronic Recordings”