From dynamics to computations in recurrent neural networks

par Francesca Mastrogiuseppe

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Vincent Hakim et de Srdjan Ostojic.

Le président du jury était Khashayar Pakdaman.

Le jury était composé de Vincent Hakim, Srdjan Ostojic, Khashayar Pakdaman, Tatjana Tchumatchenko, Peter Latham, Guillaume Hennequin.

Les rapporteurs étaient Tatjana Tchumatchenko, Peter Latham.

  • Titre traduit

    Dynamique et traitement d’information dans les réseaux neuronaux récurrents


  • Résumé

    Le cortex cérébral des mammifères est constitué de larges et complexes réseaux de neurones. La tâche de ces assemblées de cellules est d’encoder et de traiter, le plus précisément possible, l'information sensorielle issue de notre environnement extérieur. De façon surprenante, les enregistrements électrophysiologiques effectués sur des animaux en comportement ont montré que l’activité corticale est excessivement irrégulière. Les motifs temporels d’activité ainsi que les taux de décharge moyens des cellules varient considérablement d’une expérience à l’autre, et ce malgré des conditions expérimentales soigneusement maintenues à l’identique. Une hypothèse communément répandue suggère qu'une partie importante de cette variabilité émerge de la connectivité récurrente des réseaux. Cette hypothèse se fonde sur la modélisation des réseaux fortement couplés. Une étude classique [Sompolinsky et al, 1988] a en effet montré qu'un réseau de cellules aux connections aléatoires exhibe une transition de phase : l’activité passe d'un point fixe ou le réseau est inactif, à un régime chaotique, où les taux de décharge des cellules fluctuent au cours du temps et d’une cellule à l’autre. Ces analyses soulèvent néanmoins de nombreuse questions : de telles fluctuations sont-elles encore visibles dans des réseaux corticaux aux architectures plus réalistes? De quelle façon cette variabilité intrinsèque dépend-elle des paramètres biophysiques des cellules et de leurs constantes de temps ? Dans quelle mesure de tels réseaux chaotiques peuvent-ils sous-tendre des computations ? Dans cette thèse, on étudiera la dynamique et les propriétés computationnelles de modèles de circuits de neurones à l’activité hétérogène et variable. Pour ce faire, les outils mathématiques proviendront en grande partie des systèmes dynamiques et des matrices aléatoires. Ces approches seront couplées aux méthodes statistiques des champs moyens développées pour la physique des systèmes désordonnées. Dans la première partie de cette thèse, on étudiera le rôle de nouvelles contraintes biophysiques dans l'apparition d’une activité irrégulière dans des réseaux de neurones aux connections aléatoires. Dans la deuxième et la troisième partie, on analysera les caractéristiques de cette variabilité intrinsèque dans des réseaux partiellement structurées supportant des calculs simples comme la prise de décision ou la création de motifs temporels. Enfin, inspirés des récents progrès dans le domaine de l’apprentissage statistique, nous analyserons l’interaction entre une architecture aléatoire et une structure de basse dimension dans la dynamique des réseaux non-linéaires. Comme nous le verrons, les modèles ainsi obtenus reproduisent naturellement un phénomène communément observé dans des enregistrements électrophysiologiques : une dynamique de population de basse dimension combinée avec représentations neuronales irrégulières, à haute dimension, et mixtes.


  • Résumé

    The mammalian cortex consists of large and intricate networks of spiking neurons. The task of these complex recurrent assemblies is to encode and process with high precision the sensory information which flows in from the external environment. Perhaps surprisingly, electrophysiological recordings from behaving animals have pointed out a high degree of irregularity in cortical activity. The patterns of spikes and the average firing rates change dramatically when recorded in different trials, even if the experimental conditions and the encoded sensory stimuli are carefully kept fixed. 
One current hypothesis suggests that a substantial fraction of that variability emerges intrinsically because of the recurrent circuitry, as it has been observed in network models of strongly interconnected units. In particular, a classical study [Sompolinsky et al, 1988] has shown that networks of randomly coupled rate units can exhibit a transition from a fixed point, where the network is silent, to chaotic activity, where firing rates fluctuate in time and across units. Such analysis left a large number of questions unsolved: can fluctuating activity be observed in realistic cortical architectures? How does variability depend on the biophysical parameters and time scales? How can reliable information transmission and manipulation be implemented with such a noisy code? 
In this thesis, we study the spontaneous dynamics and the computational properties of realistic models of large neural circuits which intrinsically produce highly variable and heterogeneous activity. The mathematical tools of our analysis are inherited from dynamical systems and random matrix theory, and they are combined with the mean field statistical approaches developed for the study of physical disordered systems. 
In the first part of the dissertation, we study how strong rate irregularities can emerge in random networks of rate units which obey some among the biophysical constraints that real cortical neurons are subject to. In the second and third part of the dissertation, we investigate how variability is characterized in partially structured models which can support simple computations like pattern generation and decision making. To this aim, inspired by recent advances in networks training techniques, we address how random connectivity and low-dimensional structure interact in the non-linear network dynamics. The network models that we derive naturally capture the ubiquitous experimental observations that the population dynamics is low-dimensional, while neural representations are irregular, high-dimensional and mixed.


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