We study distributed algorithms implemented in a simplified biologically inspired model for stochastic spiking neural networks. We focus on tradeoffs between computation time and network complexity, along with the role of randomness in efficient neural computation. It is widely accepted that neural computation is inherently stochastic. In recent work, we explored how this stochasticity could be leveraged to solve the `winner-take-all' leader election task. Here, we focus on using randomness in neural algorithms for similarity testing and compression. In the most basic setting, given two $n$-length patterns of firing neurons, we wish to distinguish if the patterns are equal or $\epsilon$-far from equal. Randomization allows us to solve this task with a very compact network, using $O \left (\frac{\sqrt{n}\log n}{\epsilon}\right)$ auxiliary neurons, which is sublinear in the input size. At the heart of our solution is the design of a $t$-round neural random access memory, or indexing network, which we call a neuro-RAM. This module can be implemented with $O(n/t)$ auxiliary neurons and is useful in many applications beyond similarity testing. Using a VC dimension-based argument, we show that the tradeoff between runtime and network size in our neuro-RAM is nearly optimal. Our result has several implications -- since our neuro-RAM can be implemented with deterministic threshold gates, it shows that, in contrast to similarity testing, randomness does not provide significant computational advantages for this problem. It also establishes a separation between feedforward networks whose gates spike with sigmoidal probability functions, and well-studied deterministic sigmoidal networks, whose gates output real number sigmoidal values, and which can implement a neuro-RAM much more efficiently.


翻译:我们研究在简化的生物学启发型模型中实施的分布式算法,用于神经神经系统。我们注重计算时间和网络复杂度之间的权衡,以及随机性在高效神经计算中的作用。人们普遍认为神经计算本质上是随机性的。在最近的工作中,我们探索了如何利用这种随机性来解决“赢取”领导选举任务。在这里,我们侧重于在神经系统算法中使用随机性来进行类似测试和压缩。在最基本设置中,考虑到两个以美元为长度的发射神经系统模式,我们希望区分这些模式在计算时间和网络复杂性之间是否相等或远于等值。随机性计算让我们能够用非常紧凑的网络来解决这个问题,使用美元左键(\\\ sqrqrt{n ⁇ log nunepmolon ⁇ right) 来解决“赢取”领导者选举任务。在输入大小中处于次直线的辅助神经系统。在我们解决方案的核心是设计一个美元左右的神经系统随机访问存储器或索引性网络,我们称之为类似神经系统测试的内值。这个测试模块里,我们使用一个类似神经系统运行的直径直径直径直值,这个测试后,它可以显示一个非常直径直径的神经系统测试。

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神经计算(Neural Computation)期刊传播在理论、建模、计算方面的重要的多学科的研究,在神经科学统计和建设神经启发信息处理系统。这个领域吸引了心理学家、物理学家、计算机科学家、神经科学家和人工智能研究人员,他们致力于研究感知、情感、认知和行为背后的神经系统,以及具有类似能力的人工神经系统。由BRAIN Initiative开发的强大的新实验技术将产生大量复杂的数据集,严谨的统计分析和理论洞察力对于理解这些数据的含义至关重要。及时的、简短的交流、完整的研究文章以及对该领域进展的评论,涵盖了神经计算的所有方面。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/neco/
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