Högnivåneuroner som bearbetar komplexa, beteenderelevanta signaler är känsliga för samband av funktioner. Det är emellertid svårt att beskriva de mottagliga fälten hos sådana neuroner med hjälp av statistiska standardverktyg, och de principer som styr deras organisation är fortfarande dåligt förstådda. Här demonstrerar vi flera distinkta Receptivefield-funktioner i individuella hörselceller på hög nivå i en sångfågel, europeisk staring, som svar på naturliga sångsignaler (låtar). Vi visar sedan att mottagliga fält med liknande egenskaper kan reproduceras av ett oövervakat neuralt nätverk tränas för att representera stjärnsånger med en enda inlärningsregel som upprätthåller sparseness och divisive normalization. Vi drar slutsatsen att centrala hörselceller har sammansatta mottagliga fält som kan uppstå genom en kombination av gleshet och normalisering i neurala kretsar. Våra resultat, tillsammans med beskrivningar av slumpmässiga, diskontinuerliga mottagliga fält i de centrala luktcellerna hos däggdjur och insekter, föreslår allmänna principer för neural beräkning över sensoriska system och djurklasser. hörselsystem  på neurala nätverk, mottagliga fält, sparseness, oövervakad inlärning H ow neurons representerar effektivt multidimensionell stimuli är en viktig fråga inom sensorisk neurovetenskap. Dimensionalitetsminskning innebär att extrahera en hierarki av funktioner för att erhålla en selektiv och invariant (kategorisk) representation användbar för beteende. För att bättre förstå de principer som ligger till grund för denna process i det centrala hörselsystemet karakteriserade vi mottagliga fält av neuroner i den europeiska staringens caudo-medial nidopallium (NCM) (Sturnus vulgaris), en sångfågel med en akustiskt rik sångrepertoar (1). NCM, en sekundär hörselskadad region i sångfåglar, får konvergerande ingångar från den primära thalamorecipient regionen, Field L, och andra sekundära hörselregioner (2) och innehåller neuroner selektivt avstämda till fågelsång, en beteendemässigt relevant naturlig stimulans (3-5). Vi spelade in actionpotentialer extracellulärt från enskilda välisolerade NCM-neuroner under uppspelningen av stjärnsånger och uppskattade strukturen på neuronernas mottagliga fält med hjälp av metoden Maximum Noise Entropy (MNE) (6). Statistiska inferensmetoder i denna klass (7, 8) maximerar bullerentropi av den villkorliga responsfördelningen för att producera modeller som begränsas av en given uppsättning av stimulans-respons korrelationer men som annars är så slumpmässiga, och därmed så opartiska, som möjligt. Till skillnad från metoden med spiktriggad kovarians (STC) (9) fungerar MNE bra med naturliga stimuli. I motsats till metoden med maximalt informativa dimensioner (MID) (10) kan MNE identifiera ett antal relevanta egenskaper för mottagligt fält. Resultat Sång. Vi spelade in neuronala svar på sex olika 1-minuters långa låtar, varje upprepade 30 gånger. Dessa sånger spelades in från tre starar, och tillsammans innehöll de över 200 motiv, korta segment av stjärnsång som uppfattas som distinkta hörobjekt (11). En NCM-neuron svarar vanligtvis på en mängd olika motiv (4, 12) (Fig. 1) och NCM-neuroner uppvisar snabb stimulansspecifik anpassning (13), vilket tyder på att en enskild neuron kan vara känslig för en mängd olika stimulansfunktioner. För att undersöka om enstaka NCM-neuroner svarar på flera olika funktioner i stjärnsången, fick vi betydande eigenvektorer av den andra ordningens MNE-modells matris J för varje neuron som tillsammans med första ordningens term (Metods) definierar dess mottagliga fält (Fig. 2).................................................................. I genomsnitt innehöll NCM-neuroners mottagliga fält (n = 37 neuroner) sex excitatoriska egenskaper, eller negativa eigenvärden av matrisen J (6,43 ± 2,06; område 2-11; interkvartilområde 5-8), och sex suppressiva egenskaper, eller positiva eigenvärden av matrisen J (6,35 ± 2,41, område 3-12; interkvartilområde 5-7). Som en kontroll, bestämde vi också antalet funktioner med hjälp av alla möjliga fem-låt undergrupper av sex-låt uppsättningen. Distributionerna av signifikanta egenskaper som erhållits med hjälp av fem eller sex låtar var inte statistiskt olika (Kolmogorov-Smirnov test, P = 0,3 och P = 0,2 för negativa respektive positiva eigenvärden). Med hjälp av många fler låtar avslöjade dock ytterligare funktioner (se nästa avsnitt). Funktionerna i varje neurons mottagliga fält var spektrotemporalt olika: neuronerna vanligtvis kombinerade bredband funktioner som liknar klick och smalband funktioner som liknar toner, eller harmoniska stackar. Den spektral- och temporalstatistiken för ensemblen av funktioner fångades med hjälp av moduleringseffektspektrum (14) (Fig. 3)............................................................... Således hittade vi flera, distinkt mottagliga fält funktioner i enskilda hög nivå hörselceller som svar på naturliga stimuli. För att återspegla deras multifeature sammansättning, kallar vi dessa mottagliga fält komposit. För att verifiera modellens förmåga att förutsäga svar på nya stimuli, uppskattade vi dess parametrar för varje neuron med hjälp av alla möjliga femsong undergrupper och genererade en förutsägelse om sannolikheten för en spik Significance Hur neuroner är selektiva för komplexa naturliga stimuli förblir dåligt förstådd, delvis eftersom standard statistiska verktyg endast identifiera en eller två funktioner av stimuli men inte kompletta uppsättningar. Här, med hjälp av en statistisk metod som övervinner dessa svårigheter, visar vi att en uppsättning av flera olika akustiska egenskaper finns i enskilda hörselneuroner i sångfåglar. Vi använder sedan fågelsånger för att träna ett oövervakat neuralt nätverk som begränsas av två gemensamma egenskaper hos biologiska neurala kretsar. Nätverket omdisponerar samma stimulansfunktioner som observerats in vivo. Dessa resultat visar att enskilda hörselceller på hög nivå inte svarar på enstaka, utan på flera drag av naturliga stimuli. Detta möjliggör en robust, statistiskt optimal, representation av komplexa, verkliga signaler som fågelsång, tal eller musik.
En annan nyligen genomförd fågelförhjärna-studie REF använde en maximal bullerentropi (MNE) metod för att avslöja flera mottagliga fält känsliga för andra ordningen aspekter av stimulans.
Central auditory neurons have composite receptive fields
{'venue': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'journal': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'mag_field_of_study': ['Computer Science', 'Medicine']}