RI: Small: Temporal and Spatiotemporal Processing in Recurrent Neural Networks with Unsupervised Learning
RI:小型:无监督学习循环神经网络中的时空处理
基本信息
- 批准号:1114833
- 负责人:
- 金额:$ 24.96万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2011
- 资助国家:美国
- 起止时间:2011-09-01 至 2014-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
The brain's ability to perform complex forms of pattern recognition, such as speech discrimination, far exceeds that of the best computer programs. One of the strengths of human pattern recognition is its seamless processing of the temporal structure and temporal features of stimuli. For example, the phrase "he gave her cat food" can convey two different meanings depending on whether the speaker emphasizes the pause between "her" and "cat," or "cat" and "food." Attempts to emulate the brain's ability to discriminate such patterns using artificial neural networks have had only limited success. These models, however, have traditionally not captured how the brain processes temporal information. Indeed most of these models have treated time as equivalent to a spatial dimension, in essence assuming that the same input is buffered and played at different delays. Similarly, more traditional approaches to pattern recognition, which generally rely on discrete time bins, also do not capture how the brain processes temporal information. The goal of the current research is to use a framework, referred to as state-dependent networks or reservoir computing, to simulate the brain's ability to process both the spatial and temporal features of stimuli. A critical component of this framework is that temporal information is automatically encoded in the state of the network as a result of the interaction between incoming stimuli and internal states of recurrent networks.This project will develop a general model of spatiotemporal pattern recognition focusing on speech discrimination. The model will incorporate plasticity, a critical characteristic of the brain that has eluded previous state-dependent network models. Plasticity is a cardinal feature of the brain's computational power. For example, in the context of speech recognition, even at the age of 6 months, the brains of babies are tuned to recognize sounds of their native language. This ability is an example of experience-dependent cortical plasticity and it relies in part on synaptic plasticity and cortical reorganization. Incorporating synaptic plasticity into recurrent networks has proven to be a very challenging problem as a result of the inherent nonlinear and feedback dynamics of recurrent networks. The current project will use a novel unsupervised form of synaptic plasticity--based on empirically observed forms of plasticity referred to as homeostatic synaptic plasticity--to endow state-dependent networks with the ability to adapt and self-tune to the stimulus set the network is exposed to. This project interfaces recent advances in theoretical neuroscience and novel approaches in machine learning. The results will help develop artificial neural networks that capture the brain's ability to process temporal information and reorganize in response to experience.
大脑执行复杂形式的模式识别的能力,如语音识别,远远超过最好的计算机程序。人类模式识别的优势之一是对刺激的时间结构和时间特征进行无缝处理。例如,短语“他给了她猫粮”可以表达两种不同的意思,这取决于说话者是强调“她”和“猫”之间的停顿,还是“猫”和“食物”之间的停顿。使用人工神经网络来模仿大脑辨别这种模式的能力的尝试只取得了有限的成功。然而,这些模型传统上并没有捕捉到大脑如何处理时间信息。事实上,这些模型中的大多数都将时间等同于一个空间维度,本质上假设相同的输入被缓冲并在不同的延迟播放。同样,更传统的模式识别方法通常依赖于离散的时间段,也不能捕捉到大脑如何处理时间信息。目前这项研究的目标是使用一种被称为状态依赖网络或水库计算的框架来模拟大脑处理刺激的空间和时间特征的能力。该框架的一个关键组成部分是时间信息在网络状态中被自动编码,这是输入刺激和循环网络内部状态之间相互作用的结果。本项目将开发一个以语音识别为重点的时空模式识别的通用模型。该模型将纳入可塑性,这是大脑的一个关键特征,此前的状态依赖网络模型一直未能解决这一问题。可塑性是大脑计算能力的一个基本特征。例如,在语音识别的背景下,即使在6个月大的时候,婴儿的大脑也被调整为识别他们母语的声音。这种能力是经验依赖的皮质可塑性的一个例子,它部分依赖于突触可塑性和皮质重组。由于递归网络固有的非线性和反馈动力学,将突触可塑性引入递归网络已被证明是一个非常具有挑战性的问题。目前的项目将使用一种新的无监督形式的突触可塑性--基于经验观察到的称为稳态突触可塑性的形式--赋予状态依赖型网络适应和自我调整网络暴露于刺激集的能力。这个项目结合了理论神经科学的最新进展和机器学习的新方法。这些结果将有助于开发人工神经网络,捕捉大脑处理时间信息并根据经验进行重组的能力。
项目成果
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专著数量(0)
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专利数量(0)
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- 资助金额:
$ 24.96万 - 项目类别:
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