Self-induced stochastic resonance (SISR) is the emergence of coherent oscillations in slow-fast excitable systems driven solely by noise, without external periodic forcing or proximity to a bifurcation. This work presents a physics-informed machine learning framework for modeling and predicting SISR in the stochastic FitzHugh-Nagumo neuron. We embed the governing stochastic differential equations and SISR-asymptotic timescale-matching constraints directly into a Physics-Informed Neural Network (PINN) based on a Noise-Augmented State Predictor architecture. The composite loss integrates data fidelity, dynamical residuals, and barrier-based physical constraints derived from Kramers' escape theory. The trained PINN accurately predicts the dependence of spike-train coherence on noise intensity, excitability, and timescale separation, matching results from direct stochastic simulations with substantial improvements in accuracy and generalization compared with purely data-driven methods, while requiring significantly less computation. The framework provides a data-efficient and interpretable surrogate model for simulating and analyzing noise-induced coherence in multiscale stochastic systems.


翻译:自诱导随机共振(SISR)是指慢-快可激发系统中仅由噪声驱动而产生相干振荡的现象,无需外部周期性激励或接近分岔点。本研究提出了一种物理信息机器学习框架,用于建模和预测随机FitzHugh-Nagumo神经元中的SISR。我们将控制随机微分方程和SISR渐近时间尺度匹配约束直接嵌入基于噪声增强状态预测器架构的物理信息神经网络(PINN)中。复合损失函数整合了数据保真度、动力学残差以及基于Kramers逃逸理论推导的势垒物理约束。训练后的PINN能够准确预测脉冲序列相干性对噪声强度、可激发性和时间尺度分离的依赖关系,其与直接随机模拟结果一致,相比纯数据驱动方法在精度和泛化能力上均有显著提升,同时计算需求大幅降低。该框架为模拟和分析多尺度随机系统中噪声诱导相干性提供了一种数据高效且可解释的代理模型。

0
下载
关闭预览

相关内容

机器学习(Machine Learning)是一个研究计算学习方法的国际论坛。该杂志发表文章,报告广泛的学习方法应用于各种学习问题的实质性结果。该杂志的特色论文描述研究的问题和方法,应用研究和研究方法的问题。有关学习问题或方法的论文通过实证研究、理论分析或与心理现象的比较提供了坚实的支持。应用论文展示了如何应用学习方法来解决重要的应用问题。研究方法论文改进了机器学习的研究方法。所有的论文都以其他研究人员可以验证或复制的方式描述了支持证据。论文还详细说明了学习的组成部分,并讨论了关于知识表示和性能任务的假设。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/ml/
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
论文浅尝 | 利用 RNN 和 CNN 构建基于 FreeBase 的问答系统
开放知识图谱
11+阅读 · 2018年4月25日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+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
3+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
Arxiv
18+阅读 · 2021年3月16日
VIP会员
相关基金
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
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+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
3+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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员