定量生物学 > 定量方法
[提交于 2025年7月2日
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标题: 通过深度雅可比估计表征相互作用子系统之间的控制
标题: Characterizing control between interacting subsystems with deep Jacobian estimation
摘要: 生物功能通过多个子系统的动态相互作用产生,包括脑区之间的相互作用、基因调控网络内部的相互作用等。 理解这些系统的一种常见方法是建模每个子系统的动态特性,并表征它们之间的通信。 另一种方法是通过控制理论的视角:子系统之间如何相互控制。 这种方法涉及推断子系统之间控制的方向性、强度以及上下文调制。 然而,目前用于理解子系统控制的方法通常是线性的,无法充分描述非线性复杂系统所支持的丰富上下文效应。 为弥补这一差距,我们设计了一个数据驱动的非线性控制理论框架,通过动力学的雅可比矩阵来表征子系统之间的相互作用。 我们通过提出一种名为雅可比ODE的深度学习方法,解决了从时间序列数据中学习雅可比矩阵的挑战,该方法利用雅可比矩阵的性质,仅从数据中直接估计任意动力学系统的雅可比矩阵。 我们证明,雅可比ODE在具有挑战性的系统(包括高维混沌系统)上优于现有的雅可比估计方法。 我们将该方法应用于一个在工作记忆选择任务上训练的多区域循环神经网络(RNN),结果表明,在学习过程中,“感觉”区域对“认知”区域的控制增强。 此外,我们利用雅可比ODE直接控制训练好的RNN,从而实现了对其行为的精确操控。 我们的研究为生物子系统之间相互作用的理论基础和数据驱动的理解奠定了基础。
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