A Robust Model of Gated Working Memory

International audienceGated working memory is defined as the capacity of holding arbitrary information at any time in order to be used at a later time. Based on electrophysi-ological recordings, several computational models have tackled the problem using dedicated and explicit mechanisms. We propose instead to consider an implicit mechanism based on a random recurrent neural network. We introduce a robust yet simple reservoir model of gated working memory with instantaneous updates. The model is able to store an arbitrary real value at random time over an extended period of time. The dynamics of the model is a line attractor that learns to exploit reentry and a non-linearity during the training phase using only a few representative values. A deeper study of the model shows that there is actually a large range of hyper parameters for which the results hold (number of neurons, sparsity, global weight scaling, etc.) such that any large enough population, mixing excitatory and inhibitory neurons can quickly learn to realize such gated working memory. In a nutshell, with a minimal set of hypotheses, we show that we can have a robust model of working memory. This suggests this property could be an implicit property of any random population, that can be acquired through learning. Furthermore, considering working memory to be a physically open but functionally closed system, we give account on some counter-intuitive electrophysiological recordings

Using Conceptors to Transfer Between Long-Term and Short-Term Memory

International audienceWe introduce a model of working memory combining short-term and long-term components. For the long-term component, we used Concep-tors in order to store constant temporal patterns. For the short-term component , we used the Gated-Reservoir model: a reservoir trained to hold a triggered information from an input stream and maintain it in a readout unit. We combined both components in order to obtain a model in which information can go from long-term memory to short-term memory and vice-versa

A Simple Reservoir Model of Working Memory with Real Values

Corresponding code at https://github.com/anthony-strock/ijcnn2018International audienceThe prefrontal cortex is known to be involved in many high-level cognitive functions, in particular, working memory. Here, we study to what extent a group of randomly connected units (namely an Echo State Network, ESN) can store and main-tain (as output) an arbitrary real value from a streamed input, i.e., can act as a sustained working memory unit. Furthermore, we explore to what extent such an architecture can take advantage of the stored value in order to produce non-linear computations. Comparison between different architectures (with and without feedback, with and without a working memory unit) shows that an explicit memory improves the performances

A Simple Reservoir Model of Working Memory with Real Values

International audiencePrefrontal cortex is known to be involved in many high-level cognitive functions, in particular working memory. Here, we study to what extent a group of randomly connected units can store and maintain (as output) an arbitrary real value from a streamed input, i.e. how such system act as a sustained working memory module without being distracted by the input stream. Furthermore, we explore to what extent such an architecture can take advantage of the stored value in order to produce non-linear computations. Systematic comparison between different architectures (with and without feedback, with and without a working memory unit) shows that explicit memory is required. With Principal Component Analyses (PCA) we show that the reservoir state is encoding time and the memorized value in different ways depending if a supplementary task is required. Moreover, theses memory states are similar to attractors in an input-driven system [3], and in particular, similar to a noisy line attractor [6]. In this study, we did not try to find the optimal number of reservoir units needed for each task. Conversely, we voluntary limited the size of the reservoir to 100 neurons in order to see if such rather small reservoirs were sufficiently competitive

Latent space exploration and functionalization of a gated working memory model using conceptors

International audienceIntroduction. Working memory is the ability to maintain and manipulate information. We introduce a method based on conceptors that allows us to manipulate information stored in the dynamics (latent space) of a gated working memory model. Methods. This latter model is based on a reservoir: a random recurrent network with trainable readouts. It is trained to hold a value in memory given an input stream when a gate signal is on and to maintain this information when the gate is off. The memorized information results in complex dynamics inside the reservoir that can be faithfully captured by a conceptor.Results. Such conceptors allow us to explicitly manipulate this information in order to perform various, but not arbitrary, operations. In this work, we show how working memory can be stabilized or discretized using such conceptors, how such conceptors can be linearly combined to form new memories, and how these conceptors can be extended to a functional role. Conclusion. These preliminary results suggest that conceptors can be used to manipulate the latent space of the working memory even though several results we introduce are not as intuitive as one would expect

Neurosmart, une histoire de cerveau et de passionné·e·s de science

We propose a participatory science outreach approach allowing us to co-construct with our audiences resources aimed at understanding and demystifying the most disruptive results obtained regarding human brain by the conjunction of computer science, applied mathematics and neuroscience (computational neuroscience). The context is that of science and technology with a heavy societal impact, for which there is a strong need to allow everyone to build models of representation of these results and to forge an enlightened citizen's vision on these subjects.We rely here on our experience in sharing scientific culture on these subjects and our ability to create large diffusion content and resources, easy to appropriate and to operate.We propose to discover the models of the cerebral functions at the origin of our sensorimotor and vital cognitive behaviors (instinctive and motivated behavior, selection of embodied action, emotional decision-making or not, sites of self-awareness, etc. ) through :- a course of evolving content each time giving minimal key ideas on these subjects, also showing the simple use of mathematical concepts,- a Web-application (3D visualization of the brain in synergy with multi-media content and explanatory texts) with the possibility of interacting with the content. e.g., quizzes.The implementation is a free and open code, easily reusable by anyone with basic computing skills.This is also in itself a tool for learning the code, in addition to the acquisition of skills in integrative neuroscience, and it is a lever for co-creation.On propose la mise en place d’une démarche de médiation scientifique participative pour permettre de co-construire avec nos publics des ressources visant à comprendre et démystifier les résultats les plus disruptifs concernant le cerveau humain obtenus par la conjonction de l’informatique, mathématiques appliquées et des neurosciences (neurosciences computationnelles).Le contexte est celui de sciences et technologies à lourd impact sociétal avec un besoin fort de permettre à chacune et chacun de se construire des modèles de représentation de ces résultats et de se forger une vision citoyenne éclairée sur ces sujets. On s’appuie ici sur notre expérience en matière de partage de culture scientifique sur ces sujets et notre capacité à créer des contenus et des ressources, à forte diffusion, faciles à s’approprier et à faire fonctionner.On propose de découvrir les modèles des fonctions cérébrales à l’origine de nos comportements sensori-moteurs et cognitifs vitaux (comportement instinctif et motivé, sélection de l’action incarnée, prise de décision émotionnelle ou non, siège de la conscience de soi, …) à travers :- un parcours de contenus évolutifs donnant à chaque fois des idées clés minimales sur ces sujets, en montrant aussi l’utilisation simple de notions mathématiques, - une Web-application (visualisation 3D du cerveau en synergie avec des contenus multi-médias et des textes explicatifs) avec la possibilité d’interagir avec les contenus, par exemple un quiz.L’implémentation est un code libre et ouvert, facilement réutilisable par toute personne initiée à l’informatique.Cela constitue aussi en soi un outil d’apprentissage du code, en plus de l’acquisition de compétences en neuroscience intégrative, et c’est un levier de co-création

Mémoire de travail dans les réseaux de neurones récurrents aléatoires

Working memory can be defined as the ability to temporarily store and manipulate information of any kind.For example, imagine that you are asked to mentally add a series of numbers.In order to accomplish this task, you need to keep track of the partial sum that needs to be updated every time a new number is given.The working memory is precisely what would make it possible to maintain (i.e. temporarily store) the partial sum and to update it (i.e. manipulate).In this thesis, we propose to explore the neuronal implementations of this working memory using a limited number of hypotheses.To do this, we place ourselves in the general context of recurrent neural networks and we propose to use in particular the reservoir computing paradigm.This type of very simple model nevertheless makes it possible to produce dynamics that learning can take advantage of to solve a given task.In this job, the task to be performed is a gated working memory task.The model receives as input a signal which controls the update of the memory.When the door is closed, the model should maintain its current memory state, while when open, it should update it based on an input.In our approach, this additional input is present at all times, even when there is no update to do.In other words, we require our model to be an open system, i.e. a system which is always disturbed by its inputs but which must nevertheless learn to keep a stable memory.In the first part of this work, we present the architecture of the model and its properties, then we show its robustness through a parameter sensitivity study.This shows that the model is extremely robust for a wide range of parameters.More or less, any random population of neurons can be used to perform gating.Furthermore, after learning, we highlight an interesting property of the model, namely that information can be maintained in a fully distributed manner, i.e. without being correlated to any of the neurons but only to the dynamics of the group.More precisely, working memory is not correlated with the sustained activity of neurons, which has nevertheless been observed for a long time in the literature and recently questioned experimentally.This model confirms these results at the theoretical level.In the second part of this work, we show how these models obtained by learning can be extended in order to manipulate the information which is in the latent space.We therefore propose to consider conceptors which can be conceptualized as a set of synaptic weights which constrain the dynamics of the reservoir and direct it towards particular subspaces; for example subspaces corresponding to the maintenance of a particular value.More generally, we show that these conceptors can not only maintain information, they can also maintain functions.In the case of mental arithmetic mentioned previously, these conceptors then make it possible to remember and apply the operation to be carried out on the various inputs given to the system.These conceptors therefore make it possible to instantiate a procedural working memory in addition to the declarative working memory.We conclude this work by putting this theoretical model into perspective with respect to biology and neurosciences.La mémoire de travail peut être définie comme la capacité à stocker temporairement et à manipuler des informations de toute nature.Par exemple, imaginez que l'on vous demande d'additionner mentalement une série de nombres. Afin de réaliser cette tâche, vous devez garder une trace de la somme partielle qui doit être mise à jour à chaque fois qu'un nouveau nombre est donné. La mémoire de travail est précisément ce qui permettrait de maintenir (i.e. stocker temporairement) la somme partielle et de la mettre à jour (i.e. manipuler). Dans cette thèse, nous proposons d'explorer les implémentations neuronales de cette mémoire de travail en utilisant un nombre restreint d'hypothèses.Pour ce faire, nous nous plaçons dans le contexte général des réseaux de neurones récurrents et nous proposons d'utiliser en particulier le paradigme du reservoir computing.Ce type de modèle très simple permet néanmoins de produire des dynamiques dont l'apprentissage peut tirer parti pour résoudre une tâche donnée.Dans ce travail, la tâche à réaliser est une mémoire de travail à porte (gated working memory).Le modèle reçoit en entrée un signal qui contrôle la mise à jour de la mémoire.Lorsque la porte est fermée, le modèle doit maintenir son état de mémoire actuel, alors que lorsqu'elle est ouverte, il doit la mettre à jour en fonction d'une entrée.Dans notre approche, cette entrée supplémentaire est présente à tout instant, même lorsqu'il n'y a pas de mise à jour à faire.En d'autres termes, nous exigeons que notre modèle soit un système ouvert, i.e. un système qui est toujours perturbé par ses entrées mais qui doit néanmoins apprendre à conserver une mémoire stable.Dans la première partie de ce travail, nous présentons l'architecture du modèle et ses propriétés, puis nous montrons sa robustesse au travers d'une étude de sensibilité aux paramètres.Celle-ci montre que le modèle est extrêmement robuste pour une large gamme de paramètres.Peu ou prou, toute population aléatoire de neurones peut être utilisée pour effectuer le gating.Par ailleurs, après apprentissage, nous mettons en évidence une propriété intéressante du modèle, à savoir qu'une information peut être maintenue de manière entièrement distribuée, i.e. sans être corrélée à aucun des neurones mais seulement à la dynamique du groupe.Plus précisément, la mémoire de travail n'est pas corrélée avec l'activité soutenue des neurones ce qui a pourtant longtemps été observé dans la littérature et remis en cause récemment de façon expérimentale.Ce modèle vient confirmer ces résultats au niveau théorique.Dans la deuxième partie de ce travail, nous montrons comment ces modèles obtenus par apprentissage peuvent être étendus afin de manipuler l'information qui se trouve dans l'espace latent.Nous proposons pour cela de considérer les conceptors qui peuvent être conceptualisé comme un jeu de poids synaptiques venant contraindre la dynamique du réservoir et la diriger vers des sous-espaces particuliers; par exemple des sous-espaces correspondants au maintien d'une valeur particulière.Plus généralement, nous montrons que ces conceptors peuvent non seulement maintenir des informations, ils peuvent aussi maintenir des fonctions.Dans le cas du calcul mental évoqué précédemment, ces conceptors permettent alors de se rappeler et d'appliquer l'opération à effectuer sur les différentes entrées données au système.Ces conceptors permettent donc d'instancier une mémoire de type procédural en complément de la mémoire de travail de type déclaratif.Nous concluons ce travail en remettant en perspective ce modèle théorique vis à vis de la biologie et des neurosciences

Working memory in random recurrent neural networks

La mémoire de travail peut être définie comme la capacité à stocker temporairement et à manipuler des informations de toute nature.Par exemple, imaginez que l'on vous demande d'additionner mentalement une série de nombres. Afin de réaliser cette tâche, vous devez garder une trace de la somme partielle qui doit être mise à jour à chaque fois qu'un nouveau nombre est donné. La mémoire de travail est précisément ce qui permettrait de maintenir (i.e. stocker temporairement) la somme partielle et de la mettre à jour (i.e. manipuler). Dans cette thèse, nous proposons d'explorer les implémentations neuronales de cette mémoire de travail en utilisant un nombre restreint d'hypothèses.Pour ce faire, nous nous plaçons dans le contexte général des réseaux de neurones récurrents et nous proposons d'utiliser en particulier le paradigme du reservoir computing.Ce type de modèle très simple permet néanmoins de produire des dynamiques dont l'apprentissage peut tirer parti pour résoudre une tâche donnée.Dans ce travail, la tâche à réaliser est une mémoire de travail à porte (gated working memory).Le modèle reçoit en entrée un signal qui contrôle la mise à jour de la mémoire.Lorsque la porte est fermée, le modèle doit maintenir son état de mémoire actuel, alors que lorsqu'elle est ouverte, il doit la mettre à jour en fonction d'une entrée.Dans notre approche, cette entrée supplémentaire est présente à tout instant, même lorsqu'il n'y a pas de mise à jour à faire.En d'autres termes, nous exigeons que notre modèle soit un système ouvert, i.e. un système qui est toujours perturbé par ses entrées mais qui doit néanmoins apprendre à conserver une mémoire stable.Dans la première partie de ce travail, nous présentons l'architecture du modèle et ses propriétés, puis nous montrons sa robustesse au travers d'une étude de sensibilité aux paramètres.Celle-ci montre que le modèle est extrêmement robuste pour une large gamme de paramètres.Peu ou prou, toute population aléatoire de neurones peut être utilisée pour effectuer le gating.Par ailleurs, après apprentissage, nous mettons en évidence une propriété intéressante du modèle, à savoir qu'une information peut être maintenue de manière entièrement distribuée, i.e. sans être corrélée à aucun des neurones mais seulement à la dynamique du groupe.Plus précisément, la mémoire de travail n'est pas corrélée avec l'activité soutenue des neurones ce qui a pourtant longtemps été observé dans la littérature et remis en cause récemment de façon expérimentale.Ce modèle vient confirmer ces résultats au niveau théorique.Dans la deuxième partie de ce travail, nous montrons comment ces modèles obtenus par apprentissage peuvent être étendus afin de manipuler l'information qui se trouve dans l'espace latent.Nous proposons pour cela de considérer les conceptors qui peuvent être conceptualisé comme un jeu de poids synaptiques venant contraindre la dynamique du réservoir et la diriger vers des sous-espaces particuliers; par exemple des sous-espaces correspondants au maintien d'une valeur particulière.Plus généralement, nous montrons que ces conceptors peuvent non seulement maintenir des informations, ils peuvent aussi maintenir des fonctions.Dans le cas du calcul mental évoqué précédemment, ces conceptors permettent alors de se rappeler et d'appliquer l'opération à effectuer sur les différentes entrées données au système.Ces conceptors permettent donc d'instancier une mémoire de type procédural en complément de la mémoire de travail de type déclaratif.Nous concluons ce travail en remettant en perspective ce modèle théorique vis à vis de la biologie et des neurosciences.Working memory can be defined as the ability to temporarily store and manipulate information of any kind.For example, imagine that you are asked to mentally add a series of numbers.In order to accomplish this task, you need to keep track of the partial sum that needs to be updated every time a new number is given.The working memory is precisely what would make it possible to maintain (i.e. temporarily store) the partial sum and to update it (i.e. manipulate).In this thesis, we propose to explore the neuronal implementations of this working memory using a limited number of hypotheses.To do this, we place ourselves in the general context of recurrent neural networks and we propose to use in particular the reservoir computing paradigm.This type of very simple model nevertheless makes it possible to produce dynamics that learning can take advantage of to solve a given task.In this job, the task to be performed is a gated working memory task.The model receives as input a signal which controls the update of the memory.When the door is closed, the model should maintain its current memory state, while when open, it should update it based on an input.In our approach, this additional input is present at all times, even when there is no update to do.In other words, we require our model to be an open system, i.e. a system which is always disturbed by its inputs but which must nevertheless learn to keep a stable memory.In the first part of this work, we present the architecture of the model and its properties, then we show its robustness through a parameter sensitivity study.This shows that the model is extremely robust for a wide range of parameters.More or less, any random population of neurons can be used to perform gating.Furthermore, after learning, we highlight an interesting property of the model, namely that information can be maintained in a fully distributed manner, i.e. without being correlated to any of the neurons but only to the dynamics of the group.More precisely, working memory is not correlated with the sustained activity of neurons, which has nevertheless been observed for a long time in the literature and recently questioned experimentally.This model confirms these results at the theoretical level.In the second part of this work, we show how these models obtained by learning can be extended in order to manipulate the information which is in the latent space.We therefore propose to consider conceptors which can be conceptualized as a set of synaptic weights which constrain the dynamics of the reservoir and direct it towards particular subspaces; for example subspaces corresponding to the maintenance of a particular value.More generally, we show that these conceptors can not only maintain information, they can also maintain functions.In the case of mental arithmetic mentioned previously, these conceptors then make it possible to remember and apply the operation to be carried out on the various inputs given to the system.These conceptors therefore make it possible to instantiate a procedural working memory in addition to the declarative working memory.We conclude this work by putting this theoretical model into perspective with respect to biology and neurosciences

Working memory in random recurrent neural networks

La mémoire de travail peut être définie comme la capacité à stocker temporairement et à manipuler des informations de toute nature.Par exemple, imaginez que l'on vous demande d'additionner mentalement une série de nombres. Afin de réaliser cette tâche, vous devez garder une trace de la somme partielle qui doit être mise à jour à chaque fois qu'un nouveau nombre est donné. La mémoire de travail est précisément ce qui permettrait de maintenir (i.e. stocker temporairement) la somme partielle et de la mettre à jour (i.e. manipuler). Dans cette thèse, nous proposons d'explorer les implémentations neuronales de cette mémoire de travail en utilisant un nombre restreint d'hypothèses.Pour ce faire, nous nous plaçons dans le contexte général des réseaux de neurones récurrents et nous proposons d'utiliser en particulier le paradigme du reservoir computing.Ce type de modèle très simple permet néanmoins de produire des dynamiques dont l'apprentissage peut tirer parti pour résoudre une tâche donnée.Dans ce travail, la tâche à réaliser est une mémoire de travail à porte (gated working memory).Le modèle reçoit en entrée un signal qui contrôle la mise à jour de la mémoire.Lorsque la porte est fermée, le modèle doit maintenir son état de mémoire actuel, alors que lorsqu'elle est ouverte, il doit la mettre à jour en fonction d'une entrée.Dans notre approche, cette entrée supplémentaire est présente à tout instant, même lorsqu'il n'y a pas de mise à jour à faire.En d'autres termes, nous exigeons que notre modèle soit un système ouvert, i.e. un système qui est toujours perturbé par ses entrées mais qui doit néanmoins apprendre à conserver une mémoire stable.Dans la première partie de ce travail, nous présentons l'architecture du modèle et ses propriétés, puis nous montrons sa robustesse au travers d'une étude de sensibilité aux paramètres.Celle-ci montre que le modèle est extrêmement robuste pour une large gamme de paramètres.Peu ou prou, toute population aléatoire de neurones peut être utilisée pour effectuer le gating.Par ailleurs, après apprentissage, nous mettons en évidence une propriété intéressante du modèle, à savoir qu'une information peut être maintenue de manière entièrement distribuée, i.e. sans être corrélée à aucun des neurones mais seulement à la dynamique du groupe.Plus précisément, la mémoire de travail n'est pas corrélée avec l'activité soutenue des neurones ce qui a pourtant longtemps été observé dans la littérature et remis en cause récemment de façon expérimentale.Ce modèle vient confirmer ces résultats au niveau théorique.Dans la deuxième partie de ce travail, nous montrons comment ces modèles obtenus par apprentissage peuvent être étendus afin de manipuler l'information qui se trouve dans l'espace latent.Nous proposons pour cela de considérer les conceptors qui peuvent être conceptualisé comme un jeu de poids synaptiques venant contraindre la dynamique du réservoir et la diriger vers des sous-espaces particuliers; par exemple des sous-espaces correspondants au maintien d'une valeur particulière.Plus généralement, nous montrons que ces conceptors peuvent non seulement maintenir des informations, ils peuvent aussi maintenir des fonctions.Dans le cas du calcul mental évoqué précédemment, ces conceptors permettent alors de se rappeler et d'appliquer l'opération à effectuer sur les différentes entrées données au système.Ces conceptors permettent donc d'instancier une mémoire de type procédural en complément de la mémoire de travail de type déclaratif.Nous concluons ce travail en remettant en perspective ce modèle théorique vis à vis de la biologie et des neurosciences.Working memory can be defined as the ability to temporarily store and manipulate information of any kind.For example, imagine that you are asked to mentally add a series of numbers.In order to accomplish this task, you need to keep track of the partial sum that needs to be updated every time a new number is given.The working memory is precisely what would make it possible to maintain (i.e. temporarily store) the partial sum and to update it (i.e. manipulate).In this thesis, we propose to explore the neuronal implementations of this working memory using a limited number of hypotheses.To do this, we place ourselves in the general context of recurrent neural networks and we propose to use in particular the reservoir computing paradigm.This type of very simple model nevertheless makes it possible to produce dynamics that learning can take advantage of to solve a given task.In this job, the task to be performed is a gated working memory task.The model receives as input a signal which controls the update of the memory.When the door is closed, the model should maintain its current memory state, while when open, it should update it based on an input.In our approach, this additional input is present at all times, even when there is no update to do.In other words, we require our model to be an open system, i.e. a system which is always disturbed by its inputs but which must nevertheless learn to keep a stable memory.In the first part of this work, we present the architecture of the model and its properties, then we show its robustness through a parameter sensitivity study.This shows that the model is extremely robust for a wide range of parameters.More or less, any random population of neurons can be used to perform gating.Furthermore, after learning, we highlight an interesting property of the model, namely that information can be maintained in a fully distributed manner, i.e. without being correlated to any of the neurons but only to the dynamics of the group.More precisely, working memory is not correlated with the sustained activity of neurons, which has nevertheless been observed for a long time in the literature and recently questioned experimentally.This model confirms these results at the theoretical level.In the second part of this work, we show how these models obtained by learning can be extended in order to manipulate the information which is in the latent space.We therefore propose to consider conceptors which can be conceptualized as a set of synaptic weights which constrain the dynamics of the reservoir and direct it towards particular subspaces; for example subspaces corresponding to the maintenance of a particular value.More generally, we show that these conceptors can not only maintain information, they can also maintain functions.In the case of mental arithmetic mentioned previously, these conceptors then make it possible to remember and apply the operation to be carried out on the various inputs given to the system.These conceptors therefore make it possible to instantiate a procedural working memory in addition to the declarative working memory.We conclude this work by putting this theoretical model into perspective with respect to biology and neurosciences