Velocity Integration in a Multilayer Neural Field Model of Spatial Working Memory

We analyze a multilayer neural field model of spatial working memory, focusing on the impact of interlaminar connectivity, spatial heterogeneity, and velocity inputs. Models of spatial working memory typically employ networks that generate persistent activity via a combination of local excitation and lateral inhibition. Our model comprises a multilayer set of equations that describes connectivity between neurons in the same and different layers using an integral term. The kernel of this integral term then captures the impact of different interlaminar connection strengths, spatial heterogeneity, and velocity input. We begin our analysis by focusing on how interlaminar connectivity shapes the form and stability of (persistent) bump attractor solutions to the model. Subsequently, we derive a low-dimensional approximation that describes how spatial heterogeneity, velocity input, and noise combine to determine the position of bump solutions. The main impact of spatial heterogeneity is to break the translation symmetry of the network, so bumps prefer to reside at one of a finite number of local attractors in the domain. With the reduced model in hand, we can then approximate the dynamics of the bump position using a continuous time Markov chain model that describes bump motion between local attractors. While heterogeneity reduces the effective diffusion of the bumps, it also disrupts the processing of velocity inputs by slowing the velocity-induced propagation of bumps. However, we demonstrate that noise can play a constructive role by promoting bump motion transitions, restoring a mean bump velocity that is close to the input velocity

A Heterogeneous Parallel Non-von Neumann Architecture System for Accurate and Efficient Machine Learning Molecular Dynamics

This paper proposes a special-purpose system to achieve high-accuracy and high-efficiency machine learning (ML) molecular dynamics (MD) calculations. The system consists of field programmable gate array (FPGA) and application specific integrated circuit (ASIC) working in heterogeneous parallelization. To be specific, a multiplication-less neural network (NN) is deployed on the non-von Neumann (NvN)-based ASIC (SilTerra 180 nm process) to evaluate atomic forces, which is the most computationally expensive part of MD. All other calculations of MD are done using FPGA (Xilinx XC7Z100). It is shown that, to achieve similar-level accuracy, the proposed NvN-based system based on low-end fabrication technologies (180 nm) is 1.6x faster and 10^2-10^3x more energy efficiency than state-of-the-art vN based MLMD using graphics processing units (GPUs) based on much more advanced technologies (12 nm), indicating superiority of the proposed NvN-based heterogeneous parallel architecture

Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI

Making a stronger case for comparative research to investigate the behavioral and neurological bases of three-dimensional navigation

The rich diversity of avian natural history provides exciting possibilities for comparative research aimed at understanding three-dimensional navigation. We propose some hypotheses relating differences in natural history to potential behavioral and neurological adaptations possessed by contrasting bird species. This comparative approach may offer unique insights into some of the important questions raised by Jeffery et al

Trajectory prediction of moving objects by means of neural networks

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Computer Engineering, Izmir, 1997Includes bibliographical references (leaves: 103-105)Text in English; Abstract: Turkish and Englishviii, 105 leavesEstimating the three-dimensional motion of an object from a sequence of object positions and orientation is of significant importance in variety of applications in control and robotics. For instance, autonomous navigation, manipulation, servo, tracking, planning and surveillance needs prediction of motion parameters. Although "motion estimation" is an old problem (the formulations date back to the beginning of the century), only recently scientists have provided with the tools from nonlinear system estimation theory to solve this problem eural Networks are the ones which have recently been used in many nonlinear dynamic system parameter estimation context. The approximating ability of the neural network is used to identifY the relation between system variables and parameters of a dynamic system. The position, velocity and acceleration of the object are estimated by several neural networks using the II most recent measurements of the object coordinates as input to the system Several neural network topologies with different configurations are introduced and utilized in the solution of the problem. Training schemes for each configuration are given in detail. Simulation results for prediction of motion having different characteristics via different architectures with alternative configurations are presented comparatively

A survey of visual preprocessing and shape representation techniques

Many recent theories and methods proposed for visual preprocessing and shape representation are summarized. The survey brings together research from the fields of biology, psychology, computer science, electrical engineering, and most recently, neural networks. It was motivated by the need to preprocess images for a sparse distributed memory (SDM), but the techniques presented may also prove useful for applying other associative memories to visual pattern recognition. The material of this survey is divided into three sections: an overview of biological visual processing; methods of preprocessing (extracting parts of shape, texture, motion, and depth); and shape representation and recognition (form invariance, primitives and structural descriptions, and theories of attention)