AF: Small: An Algorithmic Theory of Brain Behavior: Concept Representation and Learning in Spiking Neural Networks

AF:小:大脑行为的算法理论:尖峰神经网络中的概念表示和学习

基本信息

  • 批准号:
    2139936
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-06-01 至 2025-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This project aims at understanding computation in the brain, in terms of abstract, interacting, distributed algorithms. It assumes a mathematical model of computation based on directed graphs (nodes and connecting edges), where the nodes correspond to neurons and the edges correspond to nerve fibers by which neurons may influence each other. The project studies problems that are typical of those solved by actual brains, such as problems of focusing attention, making decisions, detecting similarity between sensed odors or visual scenes, and recognizing and learning concepts with interesting structure. It studies these problems using techniques from theoretical computer science. This work has both biological and computer-science motivations. The algorithmic perspective is expected to help in understanding the computational mechanisms employed by biological neural networks. On the other hand, many of the problems that are solved by these networks are also fundamental in computer science and artificial intelligence; studying them in the setting of biological neural networks is expected to offer a new perspective and yield new results. Biological algorithms are naturally flexible, robust, and adaptive---properties that are also desirable for modern computer systems.In more detail, this work is based on a synchronous, stochastic Spiking Neural Network (SNN) model. Previously, the investigator and collaborators used this type of model to study several problems including Winner-Take-All decision-making, data compression and clustering, and learning of simple hierarchically-structured concepts. They produced new algorithms (networks) and analyzed them in terms of costs such as network size and convergence time. They also discovered some cost tradeoffs and proved related lower bound results. This project continues this research program, but now focusing on the central issues of how concepts are represented in the brain, how those representations are used, and how they may be learned. "Concepts" here encompass both logical concepts, such as hierarchical structures and linguistic constructs, and physical concepts, such as moving objects. A main thesis is: "Structure that is naturally present in real-world concepts gets mirrored in their neural representations, in a way that facilitates both learning and recognition." This project uses approaches from theoretical computer science, notably, distributed and probabilistic algorithms, as well as linear algebra and complexity theory, to investigate this hypothesis. Another emphasis of the project is on how noise and uncertainty affect the costs of solving problems in brain networks, as well as the choice of representations. Still another is on how the brain may combine networks that solve simpler problems into larger networks that solve more complex problems. Specifically, the project is studying (1) fundamental theoretical questions about SNN models and their computing power, (2) common neural primitives (such as Winner-Take-All) that may be used to solve more complex brain problems, (3) questions about efficient static representations of structured concepts in brain networks, and (4) questions about how such representations can be learned.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该项目旨在理解大脑中的计算,即抽象的,交互的,分布式的算法。 它假设了一个基于有向图(节点和连接边)的计算数学模型,其中节点对应于神经元,边对应于神经纤维,神经元可以通过这些神经纤维相互影响。 该项目研究的问题是典型的那些解决了实际的大脑,如集中注意力的问题,决策,检测感知气味或视觉场景之间的相似性,并识别和学习有趣的结构概念。 它使用理论计算机科学的技术来研究这些问题。这项工作有生物学和计算机科学的动机。 算法的角度,预计将有助于理解生物神经网络所采用的计算机制。 另一方面,这些网络解决的许多问题也是计算机科学和人工智能的基础;在生物神经网络的背景下研究它们有望提供新的视角并产生新的结果。 生物算法是自然的灵活性,鲁棒性和自适应性-属性,也是现代计算机systems.In更详细地说,这项工作是基于一个同步的,随机尖峰神经网络(SNN)模型。 在此之前,研究人员和合作者使用这种类型的模型来研究几个问题,包括赢家通吃决策,数据压缩和聚类,以及简单层次结构概念的学习。 他们提出了新的算法(网络),并从网络规模和收敛时间等成本方面对其进行了分析。 他们还发现了一些成本权衡,并证明了相关的下界结果。这个项目继续这个研究计划,但现在集中在概念如何在大脑中表示,如何使用这些表示以及如何学习的核心问题上。 这里的“概念”既包括逻辑概念,如层次结构和语言结构,也包括物理概念,如移动对象。 一个主要论点是:“现实世界中自然存在的概念结构反映在它们的神经表征中,以一种促进学习和识别的方式。“这个项目使用理论计算机科学的方法,特别是分布式和概率算法,以及线性代数和复杂性理论,来研究这个假设。该项目的另一个重点是噪音和不确定性如何影响大脑网络中解决问题的成本,以及表征的选择。 还有一个是关于大脑如何将解决简单问题的联合收割机网络组合成解决更复杂问题的更大网络。具体而言,该项目正在研究(1)关于SNN模型及其计算能力的基本理论问题,(2)常见的神经元(如赢家通吃),可用于解决更复杂的大脑问题,(3)关于大脑网络中结构化概念的有效静态表示的问题,以及(4)关于如何学习这种表述的问题。该奖项反映了NSF的法定使命,并被认为值得通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估来支持。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A Basic Compositional Model for Spiking Neural Networks
  • DOI:
    10.1007/978-3-031-15629-8_22
  • 发表时间:
    2018-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    N. Lynch;Cameron Musco
  • 通讯作者:
    N. Lynch;Cameron Musco
Theory and model of thalamocortical processing in decision making under uncertainty. Thalamocortical Interactions Gordon Research Conference 2024, Ventura, California, February 2024. Abstract, Poster.
不确定性下决策中丘脑皮质处理的理论和模型。
To attract or to oscillate: Validating dynamics with behavior..
吸引或振荡:用行为验证动态..
A Comparison of New Swarm Task Allocation Algorithms in Unknown Environments with Varying Task Density
不同任务密度的未知环境中新型 Swarm 任务分配算法的比较
Learning Hierarchically-Structured Concepts II: Overlapping Concepts, and Networks With Feedback
  • DOI:
    10.48550/arxiv.2304.09540
  • 发表时间:
    2023-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Nancy A. Lynch;Frederik Mallmann-Trenn
  • 通讯作者:
    Nancy A. Lynch;Frederik Mallmann-Trenn
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Nancy Lynch其他文献

Trade-offs between selection complexity and performance when searching the plane without communication
在没有通信的情况下搜索平面时选择复杂性和性能之间的权衡
Modeling radio networks
  • DOI:
    10.1007/s00446-011-0135-7
  • 发表时间:
    2011-07-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.100
  • 作者:
    Calvin Newport;Nancy Lynch
  • 通讯作者:
    Nancy Lynch
On the weakest failure detector ever
  • DOI:
    10.1007/s00446-009-0079-3
  • 发表时间:
    2009-01-30
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.100
  • 作者:
    Rachid Guerraoui;Maurice Herlihy;Petr Kuznetsov;Nancy Lynch;Calvin Newport
  • 通讯作者:
    Calvin Newport
Analyzing Security Protocols Using Time-Bounded Task-PIOAs
  • DOI:
    10.1007/s10626-007-0032-1
  • 发表时间:
    2008-01-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.600
  • 作者:
    Ran Canetti;Ling Cheung;Dilsun Kaynar;Moses Liskov;Nancy Lynch;Olivier Pereira;Roberto Segala
  • 通讯作者:
    Roberto Segala
Some perspectives on PODC
  • DOI:
    10.1007/s00446-002-0072-6
  • 发表时间:
    2003-09-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.100
  • 作者:
    Nancy Lynch
  • 通讯作者:
    Nancy Lynch

Nancy Lynch的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Nancy Lynch', 18)}}的其他基金

AF: Small: Distributed Algorithms for Dynamic, Noisy Platforms: Wireless Networks, Robot Swarms, and Insect Colonies
AF:小型:适用于动态、嘈杂平台的分布式算法:无线网络、机器人群和昆虫群
  • 批准号:
    2003830
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NSF-BSF: AF: Small: An Algorithmic Theory of Brain Networks
NSF-BSF:AF:小:脑网络的算法理论
  • 批准号:
    1810758
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
AF: Medium: Distributed Algorithms for Resource-Constrained and Dynamic Settings
AF:中:资源受限和动态设置的分布式算法
  • 批准号:
    1461559
  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
AF: Small: Bounded-Contention Coding for Wireless Networks
AF:小型:无线网络的有界竞争编码
  • 批准号:
    1217506
  • 财政年份:
    2012
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CCF-AF: Abstract Medium Access Control Layers
CCF-AF:抽象媒体访问控制层
  • 批准号:
    0937274
  • 财政年份:
    2010
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CPS: Medium: Collaborative Research: Geometric Distributed Algorithms for Multi-Robot Coordination and Control
CPS:中:协作研究:多机器人协调与控制的几何分布式算法
  • 批准号:
    1035199
  • 财政年份:
    2010
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Theoretical Foundations for Reliable Computing in Unreliable Mobile ad hoc Networks
不可靠移动自组织网络中可靠计算的理论基础
  • 批准号:
    0726514
  • 财政年份:
    2007
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CSR-EHS: Virtual Node Abstraction Layers for Designing Embedded Systems
CSR-EHS:用于设计嵌入式系统的虚拟节点抽象层
  • 批准号:
    0715397
  • 财政年份:
    2007
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Extending the Power and Applicability of the Timed Input/Output Automata Framework
扩展定时输入/输出自动机框架的功能和适用性
  • 批准号:
    0702670
  • 财政年份:
    2007
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CSR--EHS: Collaborative Research: Verification of Probabilistic Hybrid Systems: Stability and Beyond
CSR--EHS:协作研究:概率混合系统的验证:稳定性及其他
  • 批准号:
    0614414
  • 财政年份:
    2006
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Continuing Grant

相似国自然基金

基于多模态影像的腰椎小关节紊乱综合征智能诊断与分级的Transformer算法研究
  • 批准号:
    2024Y9388
  • 批准年份:
    2024
  • 资助金额:
    15.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
员工算法规避行为的内涵结构、量表开发及多层次影响机制:基于大(小)数据研究方法整合视角
  • 批准号:
    72372021
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    40 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于球面约束和小波框架正则化的磁共振图像处理变分模型与快速算法
  • 批准号:
    12301545
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
基于谱图小波变换算法的2型糖尿病肠道微生物组学网络标志物筛选研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
用于非小细胞肺癌免疫疗效预测的复合传感模式电子鼻构建及智能算法研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    57 万元
  • 项目类别:
    面上项目
轻量化高精度的海空红外小目标检测技术研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
基于相关关系信息增强的遥感图像小目标快速检测算法研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
质体/小天体重力场椭球谐展开算法研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
基于自适应网格的地震体波和面波联合反演算法研究及在川滇地区小江断裂带高分辨成像的应用
  • 批准号:
    42004034
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    24 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
基于多通道反卷积模型的各向异性函数的自适应小波估计
  • 批准号:
    12001132
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似海外基金

AF: Small: Problems in Algorithmic Game Theory for Online Markets
AF:小:在线市场的算法博弈论问题
  • 批准号:
    2332922
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: AF: Small: New Directions in Algorithmic Replicability
合作研究:AF:小:算法可复制性的新方向
  • 批准号:
    2342244
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NSF-BSF: Collaborative Research: AF: Small: Algorithmic Performance through History Independence
NSF-BSF:协作研究:AF:小型:通过历史独立性实现算法性能
  • 批准号:
    2420942
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: AF: Small: New Directions in Algorithmic Replicability
合作研究:AF:小:算法可复制性的新方向
  • 批准号:
    2342245
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NSF-BSF: AF: Small: Algorithmic and Information-Theoretic Challenges in Causal Inference
NSF-BSF:AF:小:因果推理中的算法和信息论挑战
  • 批准号:
    2321079
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NSF-BSF: Collaborative Research: AF: Small: Algorithmic Performance through History Independence
NSF-BSF:协作研究:AF:小型:通过历史独立性实现算法性能
  • 批准号:
    2247576
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NSF-BSF: Collaborative Research: AF: Small: Algorithmic Performance through History Independence
NSF-BSF:协作研究:AF:小型:通过历史独立性实现算法性能
  • 批准号:
    2247577
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NSF-BSF: AF: Small: Algorithmic Persuasion: Re-creating the Success of Mechanism Design
NSF-BSF:AF:小:算法说服:重新创造机制设计的成功
  • 批准号:
    2303372
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
AF: Small: Algorithmic Algebraic Methods for Systems of Difference-Differential Equations
AF:小:差分微分方程组的算法代数方法
  • 批准号:
    2139462
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
AF: Small: Algorithmic Problems in Online and Matching-Based Market Design
AF:小:在线和基于匹配的市场设计中的算法问题
  • 批准号:
    2230414
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 50万
  • 项目类别:
    Standard Grant
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了