A numerical model for Hodgkin-Huxley neural stimulus reconstruction

The information about a neural activity is encoded in a neural response and usually the underlying stimulus that triggers the activity is unknown. This paper presents a numerical solution to reconstruct stimuli from Hodgkin-Huxley neural responses while retrieving the neural dynamics. The stimulus is reconstructed by first retrieving the maximal conductances of the ion channels and then solving the Hodgkin-Huxley equations for the stimulus. The results show that the reconstructed stimulus is a good approximation of the original stimulus, while the retrieved the neural dynamics, which represent the voltage-dependent changes in the ion channels, help to understand the changes in neural biochemistry. As high non-linearity of neural dynamics renders analytical inversion of a neuron an arduous task, a numerical approach provides a local solution to the problem of stimulus reconstruction and neural dynamics retrieval

A feedback model of perceptual learning and categorisation

Top-down, feedback, influences are known to have significant effects on visual information processing. Such influences are also likely to affect perceptual learning. This article employs a computational model of the cortical region interactions underlying visual perception to investigate possible influences of top-down information on learning. The results suggest that feedback could bias the way in which perceptual stimuli are categorised and could also facilitate the learning of sub-ordinate level representations suitable for object identification and perceptual expertise

Identification of Dendritic Processing in Spiking Neural Circuits

A large body of experimental evidence points to sophisticated signal processing taking place at the level of dendritic trees and dendritic branches of neurons. This evidence suggests that, in addition to inferring the connectivity between neurons, identifying analog dendritic processing in individual cells is fundamentally important to understanding the underlying principles of neural computation. In this thesis, we develop a novel theoretical framework for the identification of dendritic processing directly from spike times produced by spiking neurons. The problem setting of spiking neurons is necessary since such neurons make up the majority of electrically excitable cells in most nervous systems and it is often hard or even impossible to directly monitor the activity within dendrites. Thus, action potentials produced by neurons often constitute the only causal and observable correlate of dendritic processing. In order to remain true to the underlying biophysics of electrically excitable cells, we employ well-established mechanistic models of action potential generation to describe the nonlinear mapping of the aggregate current produced by the tree into an asynchronous sequence of spikes. Specific models of spike generation considered include conductance-based models such as Hodgkin-Huxley, Morris-Lecar, Fitzhugh-Nagumo, as well as simpler models of the integrate-and-fire and threshold-and-fire type. The aggregate time-varying current driving the spike generator is taken to be produced by a dendritic stimulus processor, which is a nonlinear dynamical system capable of describing arbitrary linear and nonlinear transformations performed on one or more input stimuli. In the case of multiple stimuli, it can also describe the cross-coupling, or interaction, between various stimulus features. The behavior of the dendritic stimulus processor is fully captured by one or more kernels, which provide a characterization of the signal processing that is consistent with the broader cable theory description of dendritic trees. We prove that the neural identification problem, stated in terms of identifying the kernels of the dendritic stimulus processor, is mathematically dual to the neural population encoding problem. Specifically, we show that the collection of spikes produced by a single neuron in multiple experimental trials can be treated as a single multidimensional spike train of a population of neurons encoding the parameters of the dendritic stimulus processor. Using the theory of sampling in reproducing kernel Hilbert spaces, we then derive precise results demonstrating that, during any experiment, the entire neural circuit is projected onto the space of input stimuli and parameters of this projection are faithfully encoded in the spike train. Spike times are shown to correspond to generalized samples, or measurements, of this projection in a system of coordinates that is not fixed but is both neuron- and stimulus-dependent. We examine the theoretical conditions under which it may be possible to reconstruct the dendritic stimulus processor from these samples and derive corresponding experimental conditions for the minimum number of spikes and stimuli that need to be used. We also provide explicit algorithms for reconstructing the kernel projection and demonstrate that, under natural conditions, this projection converges to the true kernel. The developed methodology is quite general and can be applied to a number of neural circuits. In particular, the methods discussed span all sensory modalities, including vision, audition and olfaction, in which external stimuli are typically continuous functions of time and space. The results can also be applied to circuits in higher brain centers that receive multi-dimensional spike trains as input stimuli instead of continuous signals. In addition, the modularity of the approach allows one to extend it to mixed-signal circuits processing both continuous and spiking stimuli, to circuits with extensive lateral connections and feedback, as well as to multisensory circuits concurrently processing multiple stimuli of different dimensions, such as audio and video. Another important extension of the approach can be used to estimate the phase response curves of a neuron. All of the theoretical results are accompanied by detailed examples demonstrating the performance of the proposed identification algorithms. We employ both synthetic and naturalistic stimuli such as natural video and audio to highlight the power of the approach. Finally, we consider the implication of our work on problems pertaining to neural encoding and decoding and discuss promising directions for future research

SuperSpike: Supervised learning in multi-layer spiking neural networks

A vast majority of computation in the brain is performed by spiking neural networks. Despite the ubiquity of such spiking, we currently lack an understanding of how biological spiking neural circuits learn and compute in-vivo, as well as how we can instantiate such capabilities in artificial spiking circuits in-silico. Here we revisit the problem of supervised learning in temporally coding multi-layer spiking neural networks. First, by using a surrogate gradient approach, we derive SuperSpike, a nonlinear voltage-based three factor learning rule capable of training multi-layer networks of deterministic integrate-and-fire neurons to perform nonlinear computations on spatiotemporal spike patterns. Second, inspired by recent results on feedback alignment, we compare the performance of our learning rule under different credit assignment strategies for propagating output errors to hidden units. Specifically, we test uniform, symmetric and random feedback, finding that simpler tasks can be solved with any type of feedback, while more complex tasks require symmetric feedback. In summary, our results open the door to obtaining a better scientific understanding of learning and computation in spiking neural networks by advancing our ability to train them to solve nonlinear problems involving transformations between different spatiotemporal spike-time patterns

Connectionist Inference Models

The performance of symbolic inference tasks has long been a challenge to connectionists. In this paper, we present an extended survey of this area. Existing connectionist inference systems are reviewed, with particular reference to how they perform variable binding and rule-based reasoning, and whether they involve distributed or localist representations. The benefits and disadvantages of different representations and systems are outlined, and conclusions drawn regarding the capabilities of connectionist inference systems when compared with symbolic inference systems or when used for cognitive modeling

Sampling based on timing: Time encoding machines on shift-invariant subspaces

Sampling information using timing is a new approach in sampling theory. The question is how to map amplitude information into the timing domain. One such encoder, called time encoding machine, was introduced by Lazar and Toth in [23] for the special case of band-limited functions. In this paper, we extend their result to the general framework of shift-invariant subspaces. We prove that time encoding machines may be considered as non-uniform sampling devices, where time locations are unknown a priori. Using this fact, we show that perfect representation and reconstruction of a signal with a time encoding machine is possible whenever this device satisfies some density property. We prove that this method is robust under timing quantization, and therefore can lead to the design of simple and energy efficient sampling devices.Comment: submitted to Applied and Computationnal Harmonic Analysi

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