State-of-the-art artificial neural networks (ANNs) require labelled data or feedback between layers, are often biologically implausible, and are vulnerable to adversarial attacks that humans are not susceptible to. On the other hand, Hebbian learning in winner-take-all (WTA) networks, is unsupervised, feed-forward, and biologically plausible. However, an objective optimization theory for WTA networks has been missing, except under very limiting assumptions. Here we derive formally such a theory, based on biologically plausible but generic ANN elements. Through Hebbian learning, network parameters maintain a Bayesian generative model of the data. There is no supervisory loss function, but the network does minimize cross-entropy between its activations and the input distribution. The key is a "soft" WTA where there is no absolute "hard" winner neuron, and a specific type of Hebbian-like plasticity of weights and biases. We confirm our theory in practice, where, in handwritten digit (MNIST) recognition, our Hebbian algorithm, SoftHebb, minimizes cross-entropy without having access to it, and outperforms the more frequently used, hard-WTA-based method. Strikingly, it even outperforms supervised end-to-end backpropagation, under certain conditions. Specifically, in a two-layered network, SoftHebb outperforms backpropagation when the training dataset is only presented once, when the testing data is noisy, and under gradient-based adversarial attacks. Adversarial attacks that confuse SoftHebb are also confusing to the human eye. Finally, the model can generate interpolations of objects from its input distribution.


翻译:最新人造神经网络(ANNS) 需要贴标签数据或不同层之间的反馈, 通常在生物上不可信, 并且容易受到人类无法接触到的对抗性攻击。 另一方面, Hebbian 在赢者- 通吃( WTA) 网络中学习, 不受监督、 反馈前和生物上合理。 但是, WTA 网络的客观优化理论已经缺失, 但是在非常有限的假设下除外。 我们在这里正式地根据生物上看似合理但通用的 ANNE 元素来得出这样的理论。 通过 Hebbian 学习, 网络的参数维持了Bayesian 数据基因化模型。 没有监管损失功能, 但是网络在激活和输入分布之间, Hebbisian 最大限度地最小化了交叉性。 关键是“ 软性 WTATA ”, 其中没有绝对的“ 硬性” 赢者神经, 以及特定类型的 Hebbian 重度和偏差度的塑料性。 我们确认我们的理论, 在实践上, 以手写式的数码测试中,, 我们的 Ralbbbberberal- dealberal 正在显示它以内, 它的自我变异性攻击, 以内, 正在在自我测试中, 以内。

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