Для цитирования:
Rabinovich M. I., Varona P. ., Afraimovich V. S. Information dynamics in neural systems: computing with separatrices [Рабинович М. И., Варона П. ., Афраймович В. С. Информационная динамика в нейронных системах: вычисления с сепаратрисами] // Известия вузов. ПНД. 2003. Т. 11, вып. 1. С. 86-97. DOI: 10.18500/0869-6632-2003-11-1-86-97
Information dynamics in neural systems: computing with separatrices
[Информационная динамика в нейронных системах: вычисления с сепаратрисами]
Обработка информации в нейронных сетях путем вычислений с аттракторами (устойчивые состояния, предельные циклы, странные аттракторы) широко обсуждается в применении ко многим нейронным системам: центральным генераторам паттернов, сенсорным системам (например, зрительной, обонятельной), гиппокампу и др. Вычисления с аттракторами традиционным способом сталкиваются с фундаментальным противоречием между устойчивостью и чувствительностью. В данной работе мы обсуждаем новое направление в информационной нейродинамике, основанное на экспериментах, проведенных на обонятельной рожковой ориентационной сенсорной системе морского моллюска Clione и сети клеток гиппокампа. Новая концепция использует преобразование поступающей пространственной или идентификационной информации в пространственно-временную выходную на основе присущей нейронным сетям с несимметричными тормозными связями динамики переключения. Этот принцип называется принципом конкуренции без победителя (Winner-Less Competition Principle, WLC). Ключевой особенностью сети, вычисляющей с помощью сепаратрис, является устойчивость к шуму и одновременная чувствительность последовательности переключений к поступающей информации. Мы приводим строгие результаты об устойчивости последовательного переключения в рамках модели Лоттки-Вольтерры. Благодаря быстроте реакции обсуждаемые нейронные сети способны изменять свою внутреннюю динамику в ответ на новую поступающую информацию и решать множество различных функциональных задач. Вычисления с сепаратрисами также могут быть оптимальным принципом для проектирования новых парадигм искусственных нейронных сетей.
- Hopfield JJ. Neural networks and systems with emergent selective computational abilities. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1982;79(8):2554–2558. DOI: 10.1073/pnas.79.8.2554.
- Li Z, Hopfield JJ. Modeling оf the olfactory bulb and its neural oscillatory processings. Biological Cybernetics. 1989;61(5):379–392. DOI: 10.1007/bf00200803.
- Skarda CA, Freeman WJ. How brains make chaos in order to make sense of the world. Behav. Brain Sci. 1987;10(2):161–173. DOI: 10.1017/S0140525X00047336.
- Rabinovich МI, Volkovskii А, Lecanda Р, Huerta R, Abarbanel HDI, Laurent G. Dynamical encoding by networks of competing neuron groups: Winnerless competition. Physical Review Letters. 2001;87(6):068102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.87.068102.
- Varona Р, Rabinovich MI, Selverston AL, Arshavsky YI. Winnerless competition between sensory neurons generates chaos: а possible mechanism for molluscan hunting behavior. Chaos. 2002;12(3):672–677. DOI: 10.1063/1.1498155.
- Cohen MA, Grossberg S. Absolute stability оf global pattern formation and parallel memory storage by competitive neural networks. IЕЕЕ Transactions оn Systems, Man and Cybernetics. 1983;13(5):815–826. DOI: 10.1109/TSMC.1983.6313075.
- Abeles M, Bergman H, Gat L, Meilijson I, Seidemann E, Tishby N, Vaadia Е. Cortical activity flips among quasi-stationary states. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995;92(19):8616–8620. DOI: 10.1073/pnas.92.19.8616.
- Afraimovich VS, Hsu SB, Lin HE. Chaotic behavior оf three competing species оf May-Leonard model under small periodic perturbations. International Journal of Bifurcation and Chaos. 2001;11(2):435–447. DOI: 10.1142/S021812740100216X.
- Chi CW, Hsu SB, Wu LI. On the asymmetric May-Leonard model оf three competing species. SIAM J. Appl. Math. 1998;58(1):211–226. DOI: 10.1137/S0036139994272060.
- Kuznetsov YA. Elements оf Applied Bifurcation Theory. Vol. 112. New York: Springer; 1998. 594 p.
- Afraimovich VS, Rabinovich МI, Varona P. Computation with Separatrices: Robustness and sensitivity. AIP Conf. Proc. 2003;676(1):239–250. DOI: 10.1063/1.1612219.
- Bazhenov M, Stopfer M, Rabinovich МI, Huerta R, Abarbanel HDI, Sejnowski TJ, Laurent G. Model of transient oscillatory synchronization in the locust antennal lobe. Neuron. 2001;30(2):553–567. DOI: 10.1016/S0896-6273(01)00284-7.
- Arshavsky YI, Deliagina TG, Gamkrelidze GN, Orlovsky GN, Panchin YV, Popova LB. Pharmacologically-induced elements оf feeding behavior in the pteropod mollusc Clione Limacina. II. Effect оf physostigmine. J. Neurophysiol. 1993;69(2):522–532. DOI: 10.1152/jn.1993.69.2.522.
- Levi R, Varona Р, Rabinovich MI, Selverston АI, Arshavsky YI. Control of hunting behavior in the mollusk Clione: winnerless competition between the statocyst receptor neurons. SFN Abstracts. 2002;28:60.1.
- Seliger F, Tsimring L, Rabinovich MI. Dynamical model of sequential spatial memory: winnerless competition оf patterns. 2003;67(1): 011905. DOI: 10.1103/PhysRevE.67.011905.
- 239 просмотров