Dual Roles for Spike Signaling in Cortical Neural Populations

A prominent feature of signaling in cortical neurons is that of randomness in the action potential. The output of a typical pyramidal cell can be well fit with a Poisson model, and variations in the Poisson rate repeatedly have been shown to be correlated with stimuli. However while the rate provides a very useful characterization of neural spike data, it may not be the most fundamental description of the signaling code. Recent data showing γ frequency range multi-cell action potential correlations, together with spike timing dependent plasticity, are spurring a re-examination of the classical model, since precise timing codes imply that the generation of spikes is essentially deterministic. Could the observed Poisson randomness and timing determinism reflect two separate modes of communication, or do they somehow derive from a single process? We investigate in a timing-based model whether the apparent incompatibility between these probabilistic and deterministic observations may be resolved by examining how spikes could be used in the underlying neural circuits. The crucial component of this model draws on dual roles for spike signaling. In learning receptive fields from ensembles of inputs, spikes need to behave probabilistically, whereas for fast signaling of individual stimuli, the spikes need to behave deterministically. Our simulations show that this combination is possible if deterministic signals using γ latency coding are probabilistically routed through different members of a cortical cell population at different times. This model exhibits standard features characteristic of Poisson models such as orientation tuning and exponential interval histograms. In addition, it makes testable predictions that follow from the γ latency coding

Sparse Spike Coding : applications of Neuroscience to the processing of natural images

If modern computers are sometimes superior to humans in some specialized tasks such as playing chess or browsing a large database, they can't beat the efficiency of biological vision for such simple tasks as recognizing and following an object in a complex cluttered background. We present in this paper our attempt at outlining the dynamical, parallel and event-based representation for vision in the architecture of the central nervous system. We will illustrate this on static natural images by showing that in a signal matching framework, a L/LN (linear/non-linear) cascade may efficiently transform a sensory signal into a neural spiking signal and we will apply this framework to a model retina. However, this code gets redundant when using an over-complete basis as is necessary for modeling the primary visual cortex: we therefore optimize the efficiency cost by increasing the sparseness of the code. This is implemented by propagating and canceling redundant information using lateral interactions. We compare the efficiency of this representation in terms of compression as the reconstruction quality as a function of the coding length. This will correspond to a modification of the Matching Pursuit algorithm where the ArgMax function is optimized for competition, or Competition Optimized Matching Pursuit (COMP). We will in particular focus on bridging neuroscience and image processing and on the advantages of such an interdisciplinary approach.Comment: http://incm.cnrs-mrs.fr/LaurentPerrinet/Publications/Perrinet08spi

A sparse coding model with synaptically local plasticity and spiking neurons can account for the diverse shapes of V1 simple cell receptive fields

Sparse coding algorithms trained on natural images can accurately predict the features that excite visual cortical neurons, but it is not known whether such codes can be learned using biologically realistic plasticity rules. We have developed a biophysically motivated spiking network, relying solely on synaptically local information, that can predict the full diversity of V1 simple cell receptive field shapes when trained on natural images. This represents the first demonstration that sparse coding principles, operating within the constraints imposed by cortical architecture, can successfully reproduce these receptive fields. We further prove, mathematically, that sparseness and decorrelation are the key ingredients that allow for synaptically local plasticity rules to optimize a cooperative, linear generative image model formed by the neural representation. Finally, we discuss several interesting emergent properties of our network, with the intent of bridging the gap between theoretical and experimental studies of visual cortex.Comment: 33 pages, 6 figures. To appear in PLoS Computational Biology. Some of these data were presented by author JZ at the 2011 CoSyNe meeting in Salt Lake Cit

Hardware design of LIF with Latency neuron model with memristive STDP synapses

In this paper, the hardware implementation of a neuromorphic system is presented. This system is composed of a Leaky Integrate-and-Fire with Latency (LIFL) neuron and a Spike-Timing Dependent Plasticity (STDP) synapse. LIFL neuron model allows to encode more information than the common Integrate-and-Fire models, typically considered for neuromorphic implementations. In our system LIFL neuron is implemented using CMOS circuits while memristor is used for the implementation of the STDP synapse. A description of the entire circuit is provided. Finally, the capabilities of the proposed architecture have been evaluated by simulating a motif composed of three neurons and two synapses. The simulation results confirm the validity of the proposed system and its suitability for the design of more complex spiking neural network

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

A statistical perspective on algorithm unrolling models for inverse problems

We consider inverse problems where the conditional distribution of the observation ${\bf y}$ given the latent variable of interest ${\bf x}$ (also known as the forward model) is known, and we have access to a data set in which multiple instances of ${\bf x}$ and ${\bf y}$ are both observed. In this context, algorithm unrolling has become a very popular approach for designing state-of-the-art deep neural network architectures that effectively exploit the forward model. We analyze the statistical complexity of the gradient descent network (GDN), an algorithm unrolling architecture driven by proximal gradient descent. We show that the unrolling depth needed for the optimal statistical performance of GDNs is of order $\log(n)/\log(\varrho_n^{-1})$, where $n$ is the sample size, and $\varrho_n$ is the convergence rate of the corresponding gradient descent algorithm. We also show that when the negative log-density of the latent variable ${\bf x}$ has a simple proximal operator, then a GDN unrolled at depth $D'$ can solve the inverse problem at the parametric rate $O(D'/\sqrt{n})$. Our results thus also suggest that algorithm unrolling models are prone to overfitting as the unrolling depth $D'$ increases. We provide several examples to illustrate these results

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

A Survey of Robotics Control Based on Learning-Inspired Spiking Neural Networks

Biological intelligence processes information using impulses or spikes, which makes those living creatures able to perceive and act in the real world exceptionally well and outperform state-of-the-art robots in almost every aspect of life. To make up the deficit, emerging hardware technologies and software knowledge in the fields of neuroscience, electronics, and computer science have made it possible to design biologically realistic robots controlled by spiking neural networks (SNNs), inspired by the mechanism of brains. However, a comprehensive review on controlling robots based on SNNs is still missing. In this paper, we survey the developments of the past decade in the field of spiking neural networks for control tasks, with particular focus on the fast emerging robotics-related applications. We first highlight the primary impetuses of SNN-based robotics tasks in terms of speed, energy efficiency, and computation capabilities. We then classify those SNN-based robotic applications according to different learning rules and explicate those learning rules with their corresponding robotic applications. We also briefly present some existing platforms that offer an interaction between SNNs and robotics simulations for exploration and exploitation. Finally, we conclude our survey with a forecast of future challenges and some associated potential research topics in terms of controlling robots based on SNNs