Spiking Neural Networks for Inference and Learning: A Memristor-based Design Perspective

On metrics of density and power efficiency, neuromorphic technologies have the potential to surpass mainstream computing technologies in tasks where real-time functionality, adaptability, and autonomy are essential. While algorithmic advances in neuromorphic computing are proceeding successfully, the potential of memristors to improve neuromorphic computing have not yet born fruit, primarily because they are often used as a drop-in replacement to conventional memory. However, interdisciplinary approaches anchored in machine learning theory suggest that multifactor plasticity rules matching neural and synaptic dynamics to the device capabilities can take better advantage of memristor dynamics and its stochasticity. Furthermore, such plasticity rules generally show much higher performance than that of classical Spike Time Dependent Plasticity (STDP) rules. This chapter reviews the recent development in learning with spiking neural network models and their possible implementation with memristor-based hardware

Storage capacity of networks with discrete synapses and sparsely encoded memories

Attractor neural networks (ANNs) are one of the leading theoretical frameworks for the formation and retrieval of memories in networks of biological neurons. In this framework, a pattern imposed by external inputs to the network is said to be learned when this pattern becomes a fixed point attractor of the network dynamics. The storage capacity is the maximum number of patterns that can be learned by the network. In this paper, we study the storage capacity of fully-connected and sparsely-connected networks with a binarized Hebbian rule, for arbitrary coding levels. Our results show that a network with discrete synapses has a similar storage capacity as the model with continuous synapses, and that this capacity tends asymptotically towards the optimal capacity, in the space of all possible binary connectivity matrices, in the sparse coding limit. We also derive finite coding level corrections for the asymptotic solution in the sparse coding limit. The result indicates the capacity of network with Hebbian learning rules converges to the optimal capacity extremely slowly when the coding level becomes small. Our results also show that in networks with sparse binary connectivity matrices, the information capacity per synapse is larger than in the fully connected case, and thus such networks store information more efficiently

Functional consequences of pre- and postsynaptic expression of synaptic plasticity

Growing experimental evidence shows that both homeostatic and Hebbian synaptic plasticity can be expressed presynaptically as well as postsynaptically. In this review, we start by discussing this evidence and methods used to determine expression loci. Next, we discuss functional consequences of this diversity in pre- and postsynaptic expression of both homeostatic and Hebbian synaptic plasticity. In particular, we explore the functional consequences of a biologically tuned model of pre- and postsynaptically expressed spike-timing-dependent plasticity complemented with postsynaptic homeostatic control. The pre- and postsynaptic expression in this model predicts 1) more reliable receptive fields and sensory perception, 2) rapid recovery of forgotten information (memory savings) and 3) reduced response latencies, compared to a model with postsynaptic expression only. Finally we discuss open questions that will require a considerable research effort to better elucidate how the specific locus of expression of homeostatic and Hebbian plasticity alters synaptic and network computations

Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht