Training spiking neural networks to approximate complex functions is essential for studying information processing in the brain and neuromorphic computing. Yet, the binary nature of spikes constitutes a challenge for direct gradient-based training. To sidestep this problem, surrogate gradients have proven empirically successful, but their theoretical foundation remains elusive. Here, we investigate the relation of surrogate gradients to two theoretically well-founded approaches. On the one hand, we consider smoothed probabilistic models, which, due to lack of support for automatic differentiation, are impractical for training deep spiking neural networks, yet provide gradients equivalent to surrogate gradients in single neurons. On the other hand, we examine stochastic automatic differentiation, which is compatible with discrete randomness but has never been applied to spiking neural network training. We find that the latter provides the missing theoretical basis for surrogate gradients in stochastic spiking neural networks. We further show that surrogate gradients in deterministic networks correspond to a particular asymptotic case and numerically confirm the effectiveness of surrogate gradients in stochastic multi-layer spiking neural networks. Finally, we illustrate that surrogate gradients are not conservative fields and, thus, not gradients of a surrogate loss. Our work provides the missing theoretical foundation for surrogate gradients and an analytically well-founded solution for end-to-end training of stochastic spiking neural networks.


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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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