Reliable quantification of uncertainty estimates in continuous-time (CT) representation learning remains nascent, particularly within CT attention architectures. We introduce the Neuronal Stochastic Attention Circuit (NSAC), a novel biologically-inspired CT attention architecture that reformulates attention logit computation as the solution of an Ornstein-Uhlenbeck stochastic differential equation modulated by input-dependent, nonlinear interlinked gates derived from repurposed C.elegans Neuronal Circuit Policies (NCPs) wiring mechanism. It induces Gaussian distribution over logits that propagates principled stochasticity through logistic-normal distribution over attention weights to yield probabilistic output. A two-term objective function combining Gaussian negative log-likelihood with an epistemic-separation regularizer enforces higher predictive variance and enables joint quantification of aleatoric and epistemic uncertainty. Empirically, we implement NSAC in a diverse set of learning tasks including: (i) irregular CT function approximation; (ii) multivariate regression; (iii) long-range forecasting; (iv) Industry 4.0; and (v) the lane-keeping of autonomous vehicles. We observe that the NSAC remains competitive against several baselines in terms of accuracy and produces reasonably well-calibrated uncertainty estimates while being interpretable at the neuronal cell level.


翻译:连续时间表征学习中不确定性估计的可靠量化仍处于起步阶段,尤其在连续时间注意力架构中。我们提出神经元随机注意力电路(NSAC),这是一种新颖的受生物启发的连续时间注意力架构,它将注意力对数计算重新表述为奥恩斯坦-乌伦贝克随机微分方程的解,该方程由基于输入的非线性互连门调控,这些门源于复用的秀丽隐杆线虫神经元回路策略(NCP)布线机制。该模型在对数上诱导高斯分布,通过注意力权重上的逻辑正态分布传播有原则的随机性,从而产生概率输出。一个结合高斯负对数似然与认知分离正则化项的双项目标函数,强制提高预测方差,并能够联合量化偶然不确定性和认知不确定性。实证中,我们将NSAC应用于多种学习任务,包括:(i)不规则连续时间函数逼近;(ii)多变量回归;(iii)长期预测;(iv)工业4.0;以及(v)自动驾驶车辆的车道保持。我们观察到,NSAC在准确性上与多种基线方法保持竞争力,同时产生合理校准的不确定性估计,并在神经细胞层面具有可解释性。

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