《Nature》:Foundation model of neural activity predicts response to new stimulus types

【字体: 时间:2025年04月10日 来源:Nature 50

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  编辑推荐:针对神经环路复杂性导致的脑功能预测难题,Baylor College of Medicine团队构建了首个小鼠视觉皮层基础模型(foundation model)。通过整合多模态数据(14只小鼠、6个视觉区、66,000神经元),该模型利用3D卷积-LSTM架构预测动态神经响应,泛化至新刺激域(如相干运动、噪声模式),并准确关联解剖学特征(如树突形态、突触连接)。研究发表于《Nature》,为系统神经科学提供了可扩展的计算框架。

神经科学领域长期面临一个核心挑战:如何从复杂的神经环路中解码大脑的智能算法。尽管深度学习模型已能模拟脑活动,但其泛化能力受限,难以适应新刺激类型。这一问题在视觉皮层研究中尤为突出——传统模型对自然视频的响应预测尚可,但遇到合成或参数化刺激(如Gabor斑、随机点阵)时表现骤降。此外,跨个体、跨脑区的神经活动差异使得模型难以通用化。

为突破这些限制,来自Baylor College of Medicine的Eric Y. Wang团队联合MICrONS联盟,在《Nature》发表了开创性研究。他们构建了首个小鼠视觉皮层基础模型,通过整合大规模数据集(8只小鼠、900分钟记录、66,000神经元),实现了跨个体、跨刺激域的高精度预测,并首次将功能响应与解剖特征(如细胞类型、突触连接)直接关联。

研究采用四大关键技术:1)多模态数据采集(14只小鼠的视觉皮层响应,含自然视频与参数化刺激);2)模块化神经网络架构(含视角校正、行为调制、核心计算和读出模块);3)基于Poisson损失函数的动态响应预测;4)MICrONS数据集验证(结合70,000神经元的功能记录与纳米级解剖数据)。

研究结果分为四部分:

  1. ??动态功能模型性能验证??
    模型在自然视频测试中较前代提升25-46%准确率(CCnorm),且高阶视觉区(如AL、RL)预测性能与V1相当。消融实验显示,3D卷积核与行为调制模块分别贡献0.88%和2.8%性能增益。

  2. ??跨个体与跨刺激域泛化??
    基础核心(foundation core)迁移至新个体时,仅需30分钟训练数据即可达到0.65 CCnorm,优于独立训练的个体模型(需60分钟)。在未训练的刺激域(如漂移Gabor滤波器),模型仍保持55%以上的预测精度。

  3. ??经典调谐特性的精准复现??
    通过方向性粉红噪声刺激,模型估算的取向选择指数(OSI)与真实神经元的误差仅4°(强调谐神经元)。空间调谐分析中,偏好位置预测误差仅0.02屏幕宽度(约2°视野)。

  4. ??解剖特征的函数预测??
    在MICrONS数据集中,模型读出的512维功能条形码(functional barcode)成功预测兴奋性神经元类型(平衡准确率68% vs. 随机基线25%),并揭示树突形态差异(如L5ET细胞的特异性)。

讨论指出,该模型标志着神经科学进入“基础模型时代”:其核心突破在于通过共享表征学习,将异构数据(跨个体、跨模态)统一为可扩展的计算框架。这不仅解放了实验资源(如减少参数化刺激的活体测试),更揭示了功能-结构关联的新规律(如突触连接偏好性)。未来,扩展至自由行为、全脑尺度的多模态模型,或将最终破解自然智能的算法密码。

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