Biologically plausible deep learning -- but how far can we go with shallow networks?

Training deep neural networks with the error backpropagation algorithm is considered implausible from a biological perspective. Numerous recent publications suggest elaborate models for biologically plausible variants of deep learning, typically defining success as reaching around 98% test accuracy on the MNIST data set. Here, we investigate how far we can go on digit (MNIST) and object (CIFAR10) classification with biologically plausible, local learning rules in a network with one hidden layer and a single readout layer. The hidden layer weights are either fixed (random or random Gabor filters) or trained with unsupervised methods (PCA, ICA or Sparse Coding) that can be implemented by local learning rules. The readout layer is trained with a supervised, local learning rule. We first implement these models with rate neurons. This comparison reveals, first, that unsupervised learning does not lead to better performance than fixed random projections or Gabor filters for large hidden layers. Second, networks with localized receptive fields perform significantly better than networks with all-to-all connectivity and can reach backpropagation performance on MNIST. We then implement two of the networks - fixed, localized, random & random Gabor filters in the hidden layer - with spiking leaky integrate-and-fire neurons and spike timing dependent plasticity to train the readout layer. These spiking models achieve > 98.2% test accuracy on MNIST, which is close to the performance of rate networks with one hidden layer trained with backpropagation. The performance of our shallow network models is comparable to most current biologically plausible models of deep learning. Furthermore, our results with a shallow spiking network provide an important reference and suggest the use of datasets other than MNIST for testing the performance of future models of biologically plausible deep learning.Comment: 14 pages, 4 figure

Enhancing Neuromorphic Computing with Advanced Spiking Neural Network Architectures

This dissertation proposes ways to address current limitations of neuromorphic computing to create energy-efficient and adaptable systems for AI applications. It does so by designing novel spiking neural networks architectures that improve their performance. Specifically, the two proposed architectures address the issues of training complexity, hyperparameter selection, computational flexibility, and scarcity of neuromorphic training data. The first architecture uses auxiliary learning to improve training performance and data usage, while the second architecture leverages neuromodulation capability of spiking neurons to improve multitasking classification performance. The proposed architectures are tested on Intel\u27s Loihi2 neuromorphic chip using several neuromorphic datasets, such as NMIST, DVSCIFAR10, and DVS128-Gesture. The presented results demonstrate potential of the proposed architectures but also reveal some of their limitations which are proposed as future research

Mejora de computación neuromórfica con arquitecturas avanzadas de redes neuronales por impulsos

La computación neuromórfica (NC, del inglés neuromorphic computing) pretende revolucionar el campo de la inteligencia artificial. Implica diseñar e implementar sistemas electrónicos que simulen el comportamiento de las neuronas biológicas utilizando hardware especializado, como matrices de puertas programables en campo (FPGA, del ingl´es field-programmable gate array) o chips neuromórficos dedicados [1, 2]. NC está diseñado para ser altamente eficiente, optimizado para bajo consumo de energía y alto paralelismo [3]. Estos sistemas son adaptables a entornos cambiantes y pueden aprender durante la operación, lo que los hace muy adecuados para resolver problemas dinámicos e impredecibles [4]. Sin embargo, el uso de NC para resolver problemas de la vida real actualmente está limitado porque el rendimiento de las redes neuronales por impulsos (SNN), las redes neuronales empleadas en NC, no es tan alta como el de los sistemas de computación tradicionales, como los alcanzados en dispositivos de aprendizaje profundo especializado, en términos de precisión y velocidad de aprendizaje [5, 6]. Varias razones contribuyen a la brecha de rendimiento: los SNN son más difíciles de entrenar debido a que necesitan algoritmos de entrenamiento especializados [7, 8]; son más sensibles a hiperparámetros, ya que son sistemas dinámicos con interacciones complejas [9], requieren conjuntos de datos especializados (datos neuromórficos) que actualmente son escasos y de tamaño limitado [10], y el rango de funciones que los SNN pueden aproximar es más limitado en comparación con las redes neuronales artificiales (ANN) tradicionales [11]. Antes de que NC pueda tener un impacto más significativo en la IA y la tecnología informática, es necesario abordar estos desafíos relacionados con los SNN.This dissertation addresses current limitations of neuromorphic computing to create energy-efficient and adaptable artificial intelligence systems. It focuses on increasing utilization of neuromorphic computing by designing novel architectures that improve the performance of the spiking neural networks. Specifically, the architectures address the issues of training complexity, hyperparameter selection, computational flexibility, and scarcity of training data. The first proposed architecture utilizes auxiliary learning to improve training performance and data usage, while the second architecture leverages neuromodulation capability of spiking neurons to improve multitasking classification performance. The proposed architectures are tested on the Intel’s Loihi2 neuromorphic computer using several neuromorphic data sets, such as NMIST, DVSCIFAR10, and DVS128-Gesture. Results presented in this dissertation demonstrate the potential of the proposed architectures, but also reveal some limitations that are proposed as future work

Leveraging Deep Learning and Online Source Sentiment for Financial Portfolio Management

Financial portfolio management describes the task of distributing funds and conducting trading operations on a set of financial assets, such as stocks, index funds, foreign exchange or cryptocurrencies, aiming to maximize the profit while minimizing the loss incurred by said operations. Deep Learning (DL) methods have been consistently excelling at various tasks and automated financial trading is one of the most complex one of those. This paper aims to provide insight into various DL methods for financial trading, under both the supervised and reinforcement learning schemes. At the same time, taking into consideration sentiment information regarding the traded assets, we discuss and demonstrate their usefulness through corresponding research studies. Finally, we discuss commonly found problems in training such financial agents and equip the reader with the necessary knowledge to avoid these problems and apply the discussed methods in practice

Neuromorphic Engineering Editors' Pick 2021

This collection showcases well-received spontaneous articles from the past couple of years, which have been specially handpicked by our Chief Editors, Profs. André van Schaik and Bernabé Linares-Barranco. The work presented here highlights the broad diversity of research performed across the section and aims to put a spotlight on the main areas of interest. All research presented here displays strong advances in theory, experiment, and methodology with applications to compelling problems. This collection aims to further support Frontiers’ strong community by recognizing highly deserving authors

A Systematic Survey of Classification Algorithms for Cancer Detection

Cancer is a fatal disease induced by the occurrence of a count of inherited issues and also a count of pathological changes. Malignant cells are dangerous abnormal areas that could develop in any part of the human body, posing a life-threatening threat. To establish what treatment options are available, cancer, also referred as a tumor, should be detected early and precisely. The classification of images for cancer diagnosis is a complex mechanism that is influenced by a diverse of parameters. In recent years, artificial vision frameworks have focused attention on the classification of images as a key problem. Most people currently rely on hand-made features to demonstrate an image in a specific manner. Learning classifiers such as random forest and decision tree were used to determine a final judgment. When there are a vast number of images to consider, the difficulty occurs. Hence, in this paper, weanalyze, review, categorize, and discuss current breakthroughs in cancer detection utilizing machine learning techniques for image recognition and classification. We have reviewed the machine learning approaches like logistic regression (LR), Naïve Bayes (NB), K-nearest neighbors (KNN), decision tree (DT), and Support Vector Machines (SVM)

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