[论文解读] Predictive Coding Theories of Cortical Function

Linxing Preston Jiang, Rajesh P. N. Rao|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2021

Neural dynamics and brain function被引用 4

一句话总结

本文提出预测编码作为皮层功能的统一框架，主张新皮层通过分层贝叶斯推理系统实现，其中自上而下的预测最小化自下而上的预测误差。通过将感知与行为视为基于误差的优化过程，该理论通过最小化感官处理中的意外性（surprise）这一原则机制，解释了多样的神经反应与皮层组织。

ABSTRACT

Predictive coding is a unifying framework for understanding perception, action and neocortical organization. In predictive coding, different areas of the neocortex implement a hierarchical generative model of the world that is learned from sensory inputs. Cortical circuits are hypothesized to perform Bayesian inference based on this generative model. Specifically, the Rao-Ballard hierarchical predictive coding model assumes that the top-down feedback connections from higher to lower order cortical areas convey predictions of lower-level activities. The bottom-up, feedforward connections in turn convey the errors between top-down predictions and actual activities. These errors are used to correct current estimates of the state of the world and generate new predictions. Through the objective of minimizing prediction errors, predictive coding provides a functional explanation for a wide range of neural responses and many aspects of brain organization.

研究动机与目标

• 通过预测编码提供一个全面的理论框架，以理解新皮层功能。
• 解释分层皮层回路如何利用自上而下的预测与自下而上的预测误差执行贝叶斯推理。
• 通过单一计算原则统一神经处理的多个方面——感知、行为与皮层结构。
• 在神经环路与大脑中的概率推理之间建立机制性联系。
• 展示该理论在多个神经与行为现象层次上的解释力。

提出的方法

• 提出一个在皮层区域间实现的世界分层生成模型。
• 将自上而下的反馈连接建模为传递低层级神经活动的预测。
• 将自下而上的前馈连接建模为传递预测值与实际感觉输入之间预测误差的信号。
• 将皮层计算框架化为通过迭代优化内部表征来最小化预测误差。
• 应用贝叶斯推理原理，解释神经回路如何基于感觉证据更新对世界的信念。
• 使用Rao-Ballard模型作为皮层回路中分层预测编码的典型实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 分层皮层回路在感觉感知背景下如何执行贝叶斯推理？
• RQ2 自上而下的预测与自下而上的预测误差在皮层处理中的功能角色是什么？
• RQ3 为何最小化预测误差能够解释新皮层中观察到的多种神经反应特性？
• RQ4 预测编码以何种方式解释大脑中感觉与运动系统的组织结构？
• RQ5 预测编码如何在一个统一的计算框架内统一感知、行为与学习？

主要发现

• 预测编码为感觉与联合皮层中观察到的广泛神经反应提供了功能性解释。
• 皮层回路的分层结构通过在不同层级上分布预测与误差计算，实现了高效的推理。
• 预测误差同时驱动感知更新与运动校正，通过共同机制连接感知与行为。
• 该理论通过其预测编码架构解释了皮层柱状组织与分层连接模式。
• 在多种感觉模态与行为任务中，均观察到与预测编码一致的神经动力学。
• 该框架通过误差最小化解释了错觉、注意调制与感觉适应等现象。