Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Лебедев А. А., Казанцев В. Б., Стасенко С. В. Исследование влияния синаптической пластичности на формирование признакового пространства спайковой нейронной сетью // Известия вузов. ПНД. 2024. Т. 32, вып. 2. С. 253-267. DOI: 10.18500/0869-6632-003092, EDN: STLCRP

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 0)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182
EDN: 

Исследование влияния синаптической пластичности на формирование признакового пространства спайковой нейронной сетью

Авторы: 
Лебедев Андрей Александрович, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского (ННГУ)
Казанцев Виктор Борисович, Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)
Стасенко Сергей Викторович, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского (ННГУ)
Аннотация: 

Цель настоящего исследования — исследовать влияние синаптической пластичности на возбуждающих и тормозных синапсах на формирование признакового пространства входного изображения на возбуждающих и тормозных слоях нейронов спайковой нейронной сети.

Методы. Для моделирования динамики нейрона использовалась вычислительно-эффективная модель «Сброс и накопление с утечкой». В качестве модели синаптических контактов использовалась модель синапса на основе проводимости. Синаптическая пластичность в возбуждающих и тормозных синапсах моделировалась классической моделью, зависимой от времен возникновения спайков синаптической пластичности. Нейронная сеть, составленная из них, порождает признаковое пространство, которое разделяется на классы алгоритмом машинного обучения.

Результаты. Была построена модель спайковой нейронной сети с возбуждающими и тормозными слоями нейронов с адаптацией синаптических контактов за счет синаптической пластичности. Были рассмотрены различные конфигурации модели с синаптической пластичностью для задачи формирования признакового пространства входного изображения на возбуждающих и тормозных слоях нейронов, а также проведено их сравнение.

Заключение. Было показано, что синаптическая пластичность в тормозных синапсах ухудшает формирование признакового пространства изображения для задачи классификации. Получены также ограничения модели и выбрана лучшая конфигурация модели.

Благодарности: 
В части исследования конфигураций моделей при формировании признакового описания с возбуждающей популяции нейронов работа выполнена при поддержке гранта Правительства Нижегородской области для молодых ученых (соглашение № 316-06-16-111а/23 от 4 июля 2023 г.), в части исследования конфигураций моделей при формировании признакового описания с тормозной популяции нейронов работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 23-11-00134).
Список источников: 
  1. Song S, Miller KD, Abbott LF. Competitive Hebbian learning through spike-timing-dependent synaptic plasticity. Nature Neuroscience. 2000;3(9):919–926. DOI: 10.1038/78829.
  2. Thorpe S, Delorme A, Van Rullen R. Spike-based strategies for rapid processing. Neural Networks. 2001;14(6–7):715–725. DOI: 10.1016/S0893-6080(01)00083-1.
  3. Loiselle S, Rouat J, Pressnitzer D, Thorpe S. Exploration of rank order coding with spiking neural networks for speech recognition. In: Proceedings. 2005 IEEE International Joint Conference on Neural Networks, 2005. 31 July 2005 - 04 August 2005, Montreal, QC, Canada. New York: IEEE; 2005. P. 2076–2080. DOI: 10.1109/IJCNN.2005.1556220.
  4. Yamazaki K, Vo-Ho V-K, Bulsara D, Le N. Spiking neural networks and their applications: A review. Brain Sciences. 2022;12(7):863. DOI: 10.3390/brainsci12070863.
  5. Bohte SM, Kok JN, La Poutre H. Error-backpropagation in temporally encoded networks of spiking neurons. Neurocomputing. 2002;48(1–4):17–37. DOI: 10.1016/S0925-2312(01)00658-0.
  6. Markram H, Gerstner W, Sjostrom PJ. Spike-timing-dependent plasticity: a comprehensive overview. Frontiers in Synaptic Neuroscience. 2012;4:2. DOI: 10.3389/fnsyn.2012.00002.
  7. Stasenko SV, Kazantsev VB. Dynamic image representation in a spiking neural network supplied by astrocytes. Mathematics. 2023;11(3):561. DOI: 10.3390/math11030561.
  8. Stasenko SV, Kazantsev VB. Information encoding in bursting spiking neural network modulated by astrocytes. Entropy. 2023;25(5):745. DOI: 10.3390/e25050745.
  9. Stasenko SV, Mikhaylov AN, Kazantsev VB. Model of neuromorphic odorant-recognition network. Biomimetics. 2023;8(3):277. DOI: 10.3390/biomimetics8030277.
  10. Gordleeva SY, Tsybina YA, Krivonosov MI, Ivanchenko MV, Zaikin AA, Kazantsev VB, Gorban AN. Modeling working memory in a spiking neuron network accompanied by astrocytes. Frontiers in Cellular Neuroscience. 2021;15:631485. DOI: 10.3389/fncel.2021.631485.
  11. Masquelier T, Guyonneau R, Thorpe S. Spike timing dependent plasticity finds the start of repeating patterns in continuous spike trains. PLoS ONE. 2008;3(1):e1377. DOI: 10.1371/journal. pone.0001377.
  12. Guo W, Fouda ME, Eltawil AM, Salama KN. Neural coding in spiking neural networks: A comparative study for robust neuromorphic systems. Frontiers in Neuroscience. 2021;15:638474. DOI: 10.3389/fnins.2021.638474.
  13. Borgers C. Linear integrate-and-fire (LIF) neurons. In: An Introduction to Modeling Neuronal Dynamics. Vol. 66 of Texts in Applied Mathematics. Cham: Springer; 2017. P. 45–50. DOI: 10. 1007/978-3-319-51171-9_7.
  14. Bi G-Q, Poo M-M. Synaptic modifications in cultured hippocampal neurons: Dependence on spike timing, synaptic strength, and postsynaptic cell type. J. Neurosci. 1998;18(24):10464–10472. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.18-24-10464.1998.
  15. Deng L. The MNIST database of handwritten digit images for machine learning research [best of the web]. IEEE Signal Processing Magazine. 2012;29(6):141–142. DOI: 10.1109/MSP.2012. 2211477.
  16. Sterratt D, Graham B, Gillies A, Willshaw D. Principles of Computational Modelling in Neuroscience. Cambridge: Cambridge University Press; 2011. 390 p. DOI: 10.1017/CBO97805 11975899.
  17. Chen Y. Mechanisms of winner-take-all and group selection in neuronal spiking networks. Frontiers in Computational Neuroscience. 2017;11:20. DOI: 10.3389/fncom.2017.00020.
Поступила в редакцию: 
05.10.2023
Принята к публикации: 
18.11.2023
Опубликована онлайн: 
19.02.2024
Опубликована: 
29.03.2024