論文の概要: Advancing Spiking Neural Networks for Sequential Modeling with Central Pattern Generators

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.14362v1
• Date: Thu, 23 May 2024 09:39:12 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-05-24 17:54:55.998369
• Title: Advancing Spiking Neural Networks for Sequential Modeling with Central Pattern Generators
• Title（参考訳）: 中央パターン発生器を用いた逐次モデリングのためのスパイクニューラルネットワークの高速化
• Authors: Changze Lv, Dongqi Han, Yansen Wang, Xiaoqing Zheng, Xuanjing Huang, Dongsheng Li,
• Abstract要約: スパイキングニューラルネットワーク(SNN)は、人工ニューラルネットワークを開発するための有望なアプローチである。 SNNをシーケンシャルなタスクに適用することは、効果的でハードウェアフレンドリーなスパイク形式の位置符号化戦略を作成するという課題によって妨げられている。 CPG-PEと呼ばれる新しいSNNのためのPE手法を提案する。我々は、一般的に使われているsinusoidal PEが、数学的に特定のCPGの膜電位ダイナミクスの特定の解であることを実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 47.371024581669516
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Spiking neural networks (SNNs) represent a promising approach to developing artificial neural networks that are both energy-efficient and biologically plausible. However, applying SNNs to sequential tasks, such as text classification and time-series forecasting, has been hindered by the challenge of creating an effective and hardware-friendly spike-form positional encoding (PE) strategy. Drawing inspiration from the central pattern generators (CPGs) in the human brain, which produce rhythmic patterned outputs without requiring rhythmic inputs, we propose a novel PE technique for SNNs, termed CPG-PE. We demonstrate that the commonly used sinusoidal PE is mathematically a specific solution to the membrane potential dynamics of a particular CPG. Moreover, extensive experiments across various domains, including time-series forecasting, natural language processing, and image classification, show that SNNs with CPG-PE outperform their conventional counterparts. Additionally, we perform analysis experiments to elucidate the mechanism through which SNNs encode positional information and to explore the function of CPGs in the human brain. This investigation may offer valuable insights into the fundamental principles of neural computation.
• Abstract（参考訳）: スパイキングニューラルネットワーク(SNN)は、エネルギー効率が良く生物学的に妥当な人工ニューラルネットワークを開発するための有望なアプローチである。 しかし,SNNをテキスト分類や時系列予測といった逐次的タスクに適用することは,効果的なスパイク形式位置符号化(PE)戦略を作成するという課題によって妨げられている。 そこで本研究では,リズミカル入力を必要としないリズミカルパターン出力を生成するヒト脳の中枢パターンジェネレータ(CPG)からインスピレーションを得て,CPG-PEと呼ばれる新しいSNNのためのPE技術を提案する。 一般的に用いられている正弦波PEは、数学的に特定のCPGの膜電位ダイナミクスに対する特定の解であることを示す。 さらに、時系列予測、自然言語処理、画像分類など、さまざまな分野にわたる広範な実験により、CPG-PEのSNNが従来のSNNよりも優れていることが示された。 さらに、SNNが位置情報をエンコードするメカニズムを解明し、ヒト脳におけるCPGの機能を調べるための分析実験を行った。 この調査は、ニューラルネットワークの基本原理に関する貴重な洞察を与えるかもしれない。

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