The energy paradigm, exemplified by Hopfield networks, offers a principled framework for memory in neural systems by interpreting dynamics as descent on an energy surface. While powerful for static associative memories, it falls short in modeling sequential memory, where transitions between memories are essential. We introduce the Exponential Dynamic Energy Network (EDEN), a novel architecture that extends the energy paradigm to temporal domains by evolving the energy function over multiple timescales. EDEN combines a static high-capacity energy network with a slow, asymmetrically interacting modulatory population, enabling robust and controlled memory transitions. We formally derive short-timescale energy functions that govern local dynamics and use them to analytically compute memory escape times, revealing a phase transition between static and dynamic regimes. The analysis of capacity, defined as the number of memories that can be stored with minimal error rate as a function of the dimensions of the state space (number of feature neurons), for EDEN shows that it achieves exponential sequence memory capacity $O(\gamma^N)$, outperforming the linear capacity $O(N)$ of conventional models. Furthermore, EDEN's dynamics resemble the activity of time and ramping cells observed in the human brain during episodic memory tasks, grounding its biological relevance. By unifying static and sequential memory within a dynamic energy framework, EDEN offers a scalable and interpretable model for high-capacity temporal memory in both artificial and biological systems.


翻译:以Hopfield网络为代表的能量范式为神经系统的记忆提供了一个原则性框架,其将动力学过程解释为在能量曲面上的下降。尽管该范式在静态联想记忆方面表现出强大能力,但在建模序列记忆方面存在不足,因为记忆间的转换在序列记忆中至关重要。本文提出指数动态能量网络(EDEN),这是一种新颖的架构,通过使能量函数在多个时间尺度上演化,将能量范式扩展至时序领域。EDEN将静态高容量能量网络与一个缓慢、非对称交互的调节神经元群体相结合,从而实现稳健且受控的记忆转换。我们形式化推导了支配局部动力学的短时程能量函数,并利用这些函数解析计算记忆逃逸时间,揭示了静态与动态机制之间的相变。对EDEN容量的分析(定义为在状态空间维度(特征神经元数量)的函数关系中,能以最小错误率存储的记忆数量)表明,其实现了指数级序列记忆容量 $O(\\gamma^N)$,优于传统模型的线性容量 $O(N)$。此外,EDEN的动力学特性类似于人类大脑在执行情景记忆任务时观察到的时间细胞与斜坡细胞的活动模式,这为其生物学相关性提供了依据。通过在动态能量框架内统一静态与序列记忆,EDEN为人工与生物系统中的高容量时序记忆提供了一个可扩展且可解释的模型。

0
下载
关闭预览

相关内容

Networking:IFIP International Conferences on Networking。 Explanation:国际网络会议。 Publisher:IFIP。 SIT: http://dblp.uni-trier.de/db/conf/networking/index.html
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
12+阅读 · 2021年7月26日
Arxiv
14+阅读 · 2021年7月20日
Arxiv
17+阅读 · 2019年3月28日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员