Exploiting data invariances is crucial for efficient learning in both artificial and biological neural circuits. Understanding how neural networks can discover appropriate representations capable of harnessing the underlying symmetries of their inputs is thus crucial in machine learning and neuroscience. Convolutional neural networks, for example, were designed to exploit translation symmetry and their capabilities triggered the first wave of deep learning successes. However, learning convolutions directly from translation-invariant data with a fully-connected network has so far proven elusive. Here, we show how initially fully-connected neural networks solving a discrimination task can learn a convolutional structure directly from their inputs, resulting in localised, space-tiling receptive fields. These receptive fields match the filters of a convolutional network trained on the same task. By carefully designing data models for the visual scene, we show that the emergence of this pattern is triggered by the non-Gaussian, higher-order local structure of the inputs, which has long been recognised as the hallmark of natural images. We provide an analytical and numerical characterisation of the pattern-formation mechanism responsible for this phenomenon in a simple model, which results in an unexpected link between receptive field formation and the tensor decomposition of higher-order input correlations. These results provide a new perspective on the development of low-level feature detectors in various sensory modalities, and pave the way for studying the impact of higher-order statistics on learning in neural networks.


翻译:探索性数据差异对于人工和生物神经电路的有效学习至关重要。 了解神经网络如何能发现能够利用其投入的基本对称性的适当表现,因此在机器学习和神经科学中至关重要。 革命性神经网络的设计,例如利用翻译对称性,其能力引发了第一波深层次学习成功。 然而,迄今为止,通过完全连通的网络直接从翻译变换数据中学习变化已被证明难以实现。 在这里,我们展示了最初完全连接的解决歧视任务的神经网络如何从其投入中直接学习动态结构,从而形成一个本地化的、空间化的接收场。 这些可容纳的场与就同一任务所训练的革命网络的过滤器相匹配。我们仔细设计了视觉化数据模型,表明这种模式的出现是由非英国的、更上级的本地投入结构所引发的,长期以来,这种结构被确认为自然图像的标志。 我们为在这种不可预测的、更高级的组织结构中,提供了一种用于在不可预测的、可理解性统计中进行更高层次的格局的分析和数字化机制, 提供了一种简单模型中, 各种感官进化的、感应变式的、感变式统计结果。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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