Spiking neural networks (SNNs) have demonstrated excellent capabilities in various intelligent scenarios. Most existing methods for training SNNs are based on the concept of synaptic plasticity; however, learning in the realistic brain also utilizes intrinsic non-synaptic mechanisms of neurons. The spike threshold of biological neurons is a critical intrinsic neuronal feature that exhibits rich dynamics on a millisecond timescale and has been proposed as an underlying mechanism that facilitates neural information processing. In this study, we develop a novel synergistic learning approach that involves simultaneously training synaptic weights and spike thresholds in SNNs. SNNs trained with synapse-threshold synergistic learning~(STL-SNNs) achieve significantly superior performance on various static and neuromorphic datasets than SNNs trained with two degenerated single-learning models. During training, the synergistic learning approach optimizes neural thresholds, providing the network with stable signal transmission via appropriate firing rates. Further analysis indicates that STL-SNNs are robust to noisy data and exhibit low energy consumption for deep network structures. Additionally, the performance of STL-SNN can be further improved by introducing a generalized joint decision framework. Overall, our findings indicate that biologically plausible synergies between synaptic and intrinsic non-synaptic mechanisms may provide a promising approach for developing highly efficient SNN learning methods.


翻译:脉冲神经网络(SNNs)在多种智能场景中展现出卓越性能。现有SNN训练方法大多基于突触可塑性原理,但真实大脑的学习过程还利用了神经元的内在非突触机制。生物神经元的脉冲阈值作为关键内在神经元特征,在毫秒时间尺度上表现出丰富动态特性,已被提出作为促进神经信息处理的潜在机制。在本研究中,我们开发了一种新颖的协同学习方法,该方法同时训练SNN中的突触权重和脉冲阈值。通过突触-阈值协同学习(STL-SNNs)训练的SNN,在多种静态和神经形态数据集上取得的性能显著优于两种退化单学习模型训练的SNN。训练过程中,协同学习方法优化神经阈值,通过适当的发放率为网络提供稳定的信号传输。进一步分析表明,STL-SNNs对噪声数据具有鲁棒性,并在深层网络结构中表现出低能耗特性。此外,通过引入广义联合决策框架,STL-SNN的性能可进一步提升。总体而言,我们的研究发现表明,突触机制与内在非突触机制之间的生物合理性协同作用,可能为开发高效SNN学习方法提供有前景的途径。

0
下载
关闭预览

相关内容

【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
167+阅读 · 2020年3月18日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
106+阅读 · 2019年10月9日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2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
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月23日
Deep Anomaly Detection with Outlier Exposure
Arxiv
17+阅读 · 2018年12月21日
Arxiv
24+阅读 · 2018年10月24日
VIP会员
最新内容
无人机已改变战场,但并未解决指挥问题
专知会员服务
5+阅读 · 8月14日
驱动军事决策变革的顶尖人工智能指挥系统
专知会员服务
11+阅读 · 8月11日
非对称防御中的自组织临界性:俄乌战争
专知会员服务
10+阅读 · 8月10日
《战争中的大语言模型监管》
专知会员服务
16+阅读 · 8月10日
《边缘计算关键技术分析及美军作战实践应用》
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
相关基金
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
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员