Representation Learning: A Review and New Perspectives

The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning

Statistical Physics and Representations in Real and Artificial Neural Networks

This document presents the material of two lectures on statistical physics and neural representations, delivered by one of us (R.M.) at the Fundamental Problems in Statistical Physics XIV summer school in July 2017. In a first part, we consider the neural representations of space (maps) in the hippocampus. We introduce an extension of the Hopfield model, able to store multiple spatial maps as continuous, finite-dimensional attractors. The phase diagram and dynamical properties of the model are analyzed. We then show how spatial representations can be dynamically decoded using an effective Ising model capturing the correlation structure in the neural data, and compare applications to data obtained from hippocampal multi-electrode recordings and by (sub)sampling our attractor model. In a second part, we focus on the problem of learning data representations in machine learning, in particular with artificial neural networks. We start by introducing data representations through some illustrations. We then analyze two important algorithms, Principal Component Analysis and Restricted Boltzmann Machines, with tools from statistical physics

Algorithms for Neural Prosthetic Applications

abstract: In the last 15 years, there has been a significant increase in the number of motor neural prostheses used for restoring limb function lost due to neurological disorders or accidents. The aim of this technology is to enable patients to control a motor prosthesis using their residual neural pathways (central or peripheral). Recent studies in non-human primates and humans have shown the possibility of controlling a prosthesis for accomplishing varied tasks such as self-feeding, typing, reaching, grasping, and performing fine dexterous movements. A neural decoding system comprises mainly of three components: (i) sensors to record neural signals, (ii) an algorithm to map neural recordings to upper limb kinematics and (iii) a prosthetic arm actuated by control signals generated by the algorithm. Machine learning algorithms that map input neural activity to the output kinematics (like finger trajectory) form the core of the neural decoding system. The choice of the algorithm is thus, mainly imposed by the neural signal of interest and the output parameter being decoded. The various parts of a neural decoding system are neural data, feature extraction, feature selection, and machine learning algorithm. There have been significant advances in the field of neural prosthetic applications. But there are challenges for translating a neural prosthesis from a laboratory setting to a clinical environment. To achieve a fully functional prosthetic device with maximum user compliance and acceptance, these factors need to be addressed and taken into consideration. Three challenges in developing robust neural decoding systems were addressed by exploring neural variability in the peripheral nervous system for dexterous finger movements, feature selection methods based on clinically relevant metrics and a novel method for decoding dexterous finger movements based on ensemble methods.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Bioengineering 201

Transfer learning of deep neural network representations for fMRI decoding

Background: Deep neural networks have revolutionised machine learning, with unparalleled performance in object classification. However, in brain imaging (e.g., fMRI), the direct application of Convolutional Neural Networks (CNN) to decoding subject states or perception from imaging data seems impractical given the scarcity of available data. New method: In this work we propose a robust method to transfer information from deep learning (DL) features to brain fMRI data with the goal of decoding. By adopting Reduced Rank Regression with Ridge Regularisation we establish a multivariate link between imaging data and the fully connected layer (fc7) of a CNN. We exploit the reconstructed fc7 features by performing an object image classification task on two datasets: one of the largest fMRI databases, taken from different scanners from more than two hundred subjects watching different movie clips, and another with fMRI data taken while watching static images. Results: The fc7 features could be significantly reconstructed from the imaging data, and led to significant decoding performance. Comparison with existing methods: The decoding based on reconstructed fc7 outperformed the decoding based on imaging data alone. Conclusion: In this work we show how to improve fMRI-based decoding benefiting from the mapping between functional data and CNN features. The potential advantage of the proposed method is twofold: the extraction of stimuli representations by means of an automatic procedure (unsupervised) and the embedding of high-dimensional neuroimaging data onto a space designed for visual object discrimination, leading to a more manageable space from dimensionality point of view

Neuronal assembly dynamics in supervised and unsupervised learning scenarios

The dynamic formation of groups of neurons—neuronal assemblies—is believed to mediate cognitive phenomena at many levels, but their detailed operation and mechanisms of interaction are still to be uncovered. One hypothesis suggests that synchronized oscillations underpin their formation and functioning, with a focus on the temporal structure of neuronal signals. In this context, we investigate neuronal assembly dynamics in two complementary scenarios: the first, a supervised spike pattern classification task, in which noisy variations of a collection of spikes have to be correctly labeled; the second, an unsupervised, minimally cognitive evolutionary robotics tasks, in which an evolved agent has to cope with multiple, possibly conflicting, objectives. In both cases, the more traditional dynamical analysis of the system’s variables is paired with information-theoretic techniques in order to get a broader picture of the ongoing interactions with and within the network. The neural network model is inspired by the Kuramoto model of coupled phase oscillators and allows one to fine-tune the network synchronization dynamics and assembly configuration. The experiments explore the computational power, redundancy, and generalization capability of neuronal circuits, demonstrating that performance depends nonlinearly on the number of assemblies and neurons in the network and showing that the framework can be exploited to generate minimally cognitive behaviors, with dynamic assembly formation accounting for varying degrees of stimuli modulation of the sensorimotor interactions

A stochastic approximation algorithm for stochastic semidefinite programming

Motivated by applications to multi-antenna wireless networks, we propose a distributed and asynchronous algorithm for stochastic semidefinite programming. This algorithm is a stochastic approximation of a continous- time matrix exponential scheme regularized by the addition of an entropy-like term to the problem's objective function. We show that the resulting algorithm converges almost surely to an $\varepsilon$-approximation of the optimal solution requiring only an unbiased estimate of the gradient of the problem's stochastic objective. When applied to throughput maximization in wireless multiple-input and multiple-output (MIMO) systems, the proposed algorithm retains its convergence properties under a wide array of mobility impediments such as user update asynchronicities, random delays and/or ergodically changing channels. Our theoretical analysis is complemented by extensive numerical simulations which illustrate the robustness and scalability of the proposed method in realistic network conditions.Comment: 25 pages, 4 figure

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen