2026年10月19日
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神经表征比失去的神经元更持久

AI 绘制的示意图

NeuroLens 或可让植入式语音和运动接口不那么依赖不断变化的神经记录,但一个更难的科学问题仍未得到解决。其作者用小鼠连续 53 天的记录训练了该模型,并测试它能否在一段时间内保留与任务相关的表征。在康复诊所里,这可能意味着,在尝试发声转成文字之前,只需进行一次简短的校准练习,前提是这种表征能够适用于更多植入物、使用者、任务和更长时间。

每天,脑机接口都必须面对同一个问题的一个小版本:大脑未必发生了变化,但记录发生了变化。电极可能发生漂移,信号可能减弱,它们捕捉到的附近神经元也可能改变。因此,一个昨天还能把电活动转化为光标移动或文字的系统,今天可能就需要重新校准。对科学家来说,问题更加棘手。不同的信号可能意味着动物正在学习,也可能只是因为电极现在听取的是不同的细胞。

通向大脑的不稳定窗口

植入式电极记录的不是整个大脑,而是一组不断变化的神经元的活动。然而,即使这组神经元发生变化,同一种行为仍然可以持续,因为许多神经元都能帮助产生相同的结果。

大多数神经模型都试图重建或预测所记录的活动本身。这可以保留有用信息,但也可能保留当天记录中的噪声和特有细节。在之后几天进行测试的模型,面临的考验比在同一天的新样本上测试更难:输入已经发生了变化。

这对语音接口尤其重要。解码一个音素——也就是语音中的一个小声音单位,例如一个词的一部分——并不等于解码整句话的含义。一个有用的语音系统必须捕捉一个人想说什么,而不只是大脑中短暂的运动模式。

保留含义的模型

NeuroLens 采取了不同的方法。它不试图重现每一个记录到的信号,而是预测大脑未来的内部表征。这种表征是一种紧凑的模式,旨在保留与任务有关的信息,同时舍弃与某个特定记录日相关的细节。

模型首先利用简短的校准试验,为每个记录到的神经元建立一个特征。这个特征描述神经元放电的频率、放电的时间模式,以及它与神经元群体其余部分协同工作的紧密程度。随后,一个适应不同日期的编码器利用这些特征,把不断变化的神经元群体放入一个共享空间。在这个空间中,模型可以比较不同日期的活动,而不会把每个发生变化的神经元都当成一次新的计算。

作者训练 NeuroLens 时,并不要求为每个样本都提供标签。它的预测系统观察过去的潜在状态,并预测未来的潜在状态。模型还加入了一项约束,旨在防止所有输入都被压缩成同一个没有信息量的常数。

在使用一只小鼠、约三个月内 53 天记录的测试中,模型用较早几天的数据训练,再用较晚几天的数据测试。作者报告称,与一个对比模型相比,NeuroLens 对动物向左还是向右选择的解码效果更好;对选择的提升幅度也大于对运动的提升。在两名因 ALS 导致失去构音能力、尝试说出屏幕上显示句子的患者的记录中,NeuroLens 对句子含义的解码提升大于对音素的解码提升。报告的句子嵌入解码提升为 38%,而音素解码提升为 4% 至 16%。

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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 出处: NeuroLens: Learning Latent Embeddings of Neural Semantics from Chronic Recordings(arXiv)

更稳定的接口可能带来的改变

在康复诊所里,使用植入式语音接口的人可以在一次治疗开始时进行简短的校准练习,而不是接受漫长的重新训练。如果共享表征保持可靠,即使记录到的神经元发生变化,系统也可能继续把尝试性的发声转成文字。同样的想法也可能减少植入式运动接口的重新校准,例如控制光标的系统。

对神经科学家来说,好处会有所不同。他们可以比较数周或数月内的神经元群体活动,而不必假设每一个消失或发生偏移的神经元,都证明大脑底层的计算发生了变化。这可能让对学习过程的长期研究更容易解读。

但 NeuroLens 还没有解决最重要的科学问题。该方法无法区分由学习和行为引起的变化,与大脑自身固有的变化。在跨时间的人类测试中,少样本适应表现不佳,因此模型必须使用每位参与者的训练数据进行完整微调。作者提出的未来设想——用一次短暂校准取代长时间重新训练——取决于这种表征能否适用于更多植入物、人员和任务,以及比本研究测试时间更长的时期。

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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 出处: NeuroLens: Learning Latent Embeddings of Neural Semantics from Chronic Recordings(arXiv)

来源

arXiv,《NeuroLens:从长期记录中学习神经语义的潜在嵌入》