ディープラーニングを用いた視覚運動学習による適応的な描画行為

早大学位記番号:新7963早稲田大

Computational roles of cortico-cerebellar loops in temporal credit assignment

Animal survival depends on behavioural adaptation to the environment. This is thought to be enabled by plasticity in the neural circuit. However, the laws which govern neural plasticity are unclear. From a functional aspect, it is desirable to correctly identify, or assign “credit” for, the neurons or synapses responsible for the task decision and subsequent performance. In the biological circuit, the intricate, non-linear interactions involved in neural networks makes appropriately assigning credit to neurons highly challenging. In the temporal domain, this is known as the temporal credit assignment (TCA) problem. This Thesis considers the role the cerebellum – a powerful subcortical structure with strong error-guided plasticity rules – as a solution to TCA in the brain. In particular, I use artificial neural networks as a means to model and understand the mechanisms by which the cerebellum can support learning in the neocortex via the cortico-cerebellar loop. I introduce two distinct but compatible computational models of cortico-cerebellar interaction. The first model asserts that the cerebellum provides the neocortex predictive feedback, modeled in the form of error gradients, with respect to its current activity. This predictive feedback enables better credit assignment in the neocortex and effectively removes the lock between feedforward and feedback processing in cortical networks. This model captures observed long-term deficits associated with cerebellar dysfunction, namely cerebellar dysmetria, in both the motor and non-motor domain. Predictions are also made with respect to alignment of cortico-cerebellar activity during learning and the optimal task conditions for cerebellar contribution. The second model also looks at the role of the cerebellum in learning, but now considers its ability to instantaneously drive the cortex towards desired task dynamics. Unlike the first model, this model does not assume any local cortical plasticity need take place at all and task-directed learning can effectively be outsourced to the cerebellum. This model captures recent optogenetic studies in mice which show the cerebellum as a necessary component for the maintenance of desired cortical dynamics and ensuing behaviour. I also show that this driving input can eventually be used as a teaching signal for the cortical circuit, thereby conceptually unifying the two models. Overall, this Thesis explores the computational role of the cerebellum and cortico-cerebellar loops for task acquisition and maintenance in the brain

Learning and Production of Movement Sequences: Behavioral, Neurophysiological, and Modeling Perspectives

A growing wave of behavioral studies, using a wide variety of paradigms that were introduced or greatly refined in recent years, has generated a new wealth of parametric observations about serial order behavior. What was a mere trickle of neurophysiological studies has grown to a more steady stream of probes of neural sites and mechanisms underlying sequential behavior. Moreover, simulation models of serial behavior generation have begun to open a channel to link cellular dynamics with cognitive and behavioral dynamics. Here we summarize the major results from prominent sequence learning and performance tasks, namely immediate serial recall, typing, 2XN, discrete sequence production, and serial reaction time. These populate a continuum from higher to lower degrees of internal control of sequential organization. The main movement classes covered are speech and keypressing, both involving small amplitude movements that are very amenable to parametric study. A brief synopsis of classes of serial order models, vis-à-vis the detailing of major effects found in the behavioral data, leads to a focus on competitive queuing (CQ) models. Recently, the many behavioral predictive successes of CQ models have been joined by successful prediction of distinctively patterend electrophysiological recordings in prefrontal cortex, wherein parallel activation dynamics of multiple neural ensembles strikingly matches the parallel dynamics predicted by CQ theory. An extended CQ simulation model-the N-STREAMS neural network model-is then examined to highlight issues in ongoing attemptes to accomodate a broader range of behavioral and neurophysiological data within a CQ-consistent theory. Important contemporary issues such as the nature of working memory representations for sequential behavior, and the development and role of chunks in hierarchial control are prominent throughout.Defense Advanced Research Projects Agency/Office of Naval Research (N00014-95-1-0409); National Institute of Mental Health (R01 DC02852

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

Neural principles underlying motor learning and adaptation

Animals, and especially humans, can learn to flexibly adjust their movements to changing environments. The neural principles underlying this remarkable capability are still not fully understood. Among the most prominent brain regions controlling movement is primary motor cortex (M1). Adapted motor behaviour can be related to a change in neural activity within this region. Yet, the rules guiding this activity change, and thus behavioural adaptation, remain unclear. The overall aim of this thesis is to investigate the learning process(es) governing the described change in activity in M1 and, with that, the change in behaviour. Computational modelling is used to study three specific aspects of learning: 1. What constrains learning to favour some neural activity patterns over others? 2. Can we identify where in a hierarchical pathway learning is happening? 3. How can sensory feedback guide the learning process? We start by investigating what kind of biological constraints differentially affect learning of new neural activity that either preserves coactivation patterns between neurons (within-manifold learning), or requires learning of new coactivation patterns (outside-manifold learning). We propose a new explanation - the learnability of feedback signals - for why within-manifold activity patterns can be easier learned than outside-manifold activity patterns. In the second part we develop a hierarchical model of the motor system to investigate whether we can derive where learning has happened from only measuring neural activity. Lastly, we investigate how the brain could implement a biologically plausible learning rule which allows it to correctly assign errors and update recurrent connectivity in a goal-driven manner. Overall, our work offers new perspectives on the role of M1 for motor learning and adaptation, challenges current beliefs, and puts a focus on the role of feedback signals for local plasticity in M1.Open Acces

Knowledge-based vision and simple visual machines

The vast majority of work in machine vision emphasizes the representation of perceived objects and events: it is these internal representations that incorporate the 'knowledge' in knowledge-based vision or form the 'models' in model-based vision. In this paper, we discuss simple machine vision systems developed by artificial evolution rather than traditional engineering design techniques, and note that the task of identifying internal representations within such systems is made difficult by the lack of an operational definition of representation at the causal mechanistic level. Consequently, we question the nature and indeed the existence of representations posited to be used within natural vision systems (i.e. animals). We conclude that representations argued for on a priori grounds by external observers of a particular vision system may well be illusory, and are at best place-holders for yet-to-be-identified causal mechanistic interactions. That is, applying the knowledge-based vision approach in the understanding of evolved systems (machines or animals) may well lead to theories and models that are internally consistent, computationally plausible, and entirely wrong