Accumulated detailed knowledge about the neuronal activities in human brains has brought more attention to bio-inspired spiking neural networks (SNNs). In contrast to non-spiking deep neural networks (DNNs), SNNs can encode and transmit spatiotemporal information more efficiently by exploiting biologically realistic and low-power event-driven neuromorphic architectures. However, the supervised learning of SNNs still remains a challenge because the spike-timing-dependent plasticity (STDP) of connected spiking neurons is difficult to implement and interpret in existing backpropagation learning schemes. This paper proposes a fractional-order spike-timing-dependent gradient descent (FO-STDGD) learning model by considering a derived nonlinear activation function that describes the relationship between the quasi-instantaneous firing rate and the temporal membrane potentials of nonleaky integrate-and-fire neurons. The training strategy can be generalized to any fractional orders between 0 and 2 since the FO-STDGD incorporates the fractional gradient descent method into the calculation of spike-timing-dependent loss gradients. The proposed FO-STDGD model is tested on the MNIST and DVS128 Gesture datasets and its accuracy under different network structure and fractional orders is analyzed. It can be found that the classification accuracy increases as the fractional order increases, and specifically, the case of fractional order 1.9 improves by 155% relative to the case of fractional order 1 (traditional gradient descent). In addition, our scheme demonstrates the state-of-the-art computational efficacy for the same SNN structure and training epochs.


翻译:人类大脑神经元活动知识的不断积累,使得受生物启发的脉冲神经网络(SNNs)受到更多关注。与非脉冲的深度神经网络(DNNs)相比,SNNs能够通过利用生物真实性高且低功耗的事件驱动神经形态架构,更高效地编码和传递时空信息。然而,SNNs的监督学习仍然是一个挑战,因为连接脉冲神经元的脉冲时序依赖可塑性(STDP)在现有的反向传播学习方案中难以实现和解释。本文通过考虑一个描述非泄漏积分发放神经元的准瞬时发放率与瞬时膜电位之间关系的推导非线性激活函数,提出了一种分数阶脉冲时序依赖梯度下降(FO-STDGD)学习模型。该训练策略可推广至0到2之间的任意分数阶,因为FO-STDGD将分数阶梯度下降方法融入了脉冲时序依赖损失梯度的计算中。所提出的FO-STDGD模型在MNIST和DVS128 Gesture数据集上进行了测试,并分析了其在不同网络结构和分数阶下的准确率。可以发现,分类准确率随分数阶的增加而提高,特别是分数阶为1.9的情况相对于分数阶为1(传统梯度下降)的情况提升了155%。此外,我们的方案在相同的SNN结构和训练轮次下展示了最先进的计算效率。

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
35+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
学习自然语言处理路线图
专知会员服务
140+阅读 · 2019年9月24日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
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
47+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014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
VIP会员
最新内容
《无人机对海面作战影响评估》
专知会员服务
7+阅读 · 7月21日
印度精确打击与指挥架构的断层
专知会员服务
5+阅读 · 7月20日
美空军AI完成F-16战斗机自主空战历史性试飞
专知会员服务
6+阅读 · 7月20日
深入Project Maven:为何人工智能在战场上依然失灵
锻造未来士兵:外骨骼、基因工程与赛博格
专知会员服务
7+阅读 · 7月19日
相关资讯
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
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
47+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014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