The spectacular successes of recurrent neural network models where key parameters are adjusted via backpropagation-based gradient descent have inspired much thought as to how biological neuronal networks might solve the corresponding synaptic credit assignment problem. There is so far little agreement, however, as to how biological networks could implement the necessary backpropagation through time, given widely recognized constraints of biological synaptic network signaling architectures. Here, we propose that extra-synaptic diffusion of local neuromodulators such as neuropeptides may afford an effective mode of backpropagation lying within the bounds of biological plausibility. Going beyond existing temporal truncation-based gradient approximations, our approximate gradient-based update rule, ModProp, propagates credit information through arbitrary time steps. ModProp suggests that modulatory signals can act on receiving cells by convolving their eligibility traces via causal, time-invariant and synapse-type-specific filter taps. Our mathematical analysis of ModProp learning, together with simulation results on benchmark temporal tasks, demonstrate the advantage of ModProp over existing biologically-plausible temporal credit assignment rules. These results suggest a potential neuronal mechanism for signaling credit information related to recurrent interactions over a longer time horizon. Finally, we derive an in-silico implementation of ModProp that could serve as a low-complexity and causal alternative to backpropagation through time.


翻译:反复出现神经网络模型的惊人成功,这些模型的关键参数通过后向偏差梯度下降来调整,这些模型使人们对生物神经神经网络如何能解决相应的合成信用分配问题有了深刻的思考。然而,迄今为止,对于生物网络如何在时间上实施必要的后向分析,人们对于生物合成网络信号结构的广泛公认限制,对于生物合成网络如何在时间上实施必要的反向分析,几乎没有什么一致的看法。在这里,我们提议,神经粒子等本地神经调节器的超同步扩散可能提供一种有效的反向分析模式,这种反向分析位于生物可测度范围内。超越现有的基于时间扭曲梯度的梯度近似值,即我们基于梯度的近似更新规则,即ModProp,通过任意的时间步骤传播信用信息。ModProp表明,由于通过因果关系、时间变异和神经元类型特定过滤的过滤管道,调节信号信号信号可以影响细胞的接收过程。 我们对ModProple学习的数学分析,加上对时间任务的基准模拟结果,表明ModProprocial-rocialalalalalalal redustration laction lading afulation acess labislate resulate resulate lating a resental laction agental resmlational resulational laversal restical laction a lativersal restiversal latical lating latition resmal res

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反向传播一词严格来说仅指用于计算梯度的算法,而不是指如何使用梯度。但是该术语通常被宽松地指整个学习算法,包括如何使用梯度,例如通过随机梯度下降。反向传播将增量计算概括为增量规则中的增量规则,该规则是反向传播的单层版本,然后通过自动微分进行广义化,其中反向传播是反向累积(或“反向模式”)的特例。 在机器学习中,反向传播(backprop)是一种广泛用于训练前馈神经网络以进行监督学习的算法。对于其他人工神经网络(ANN)都存在反向传播的一般化–一类算法,通常称为“反向传播”。反向传播算法的工作原理是,通过链规则计算损失函数相对于每个权重的梯度,一次计算一层,从最后一层开始向后迭代,以避免链规则中中间项的冗余计算。
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