The success of deep learning attracted interest in whether the brain learns hierarchical representations using gradient-based learning. However, current biologically plausible methods for gradient-based credit assignment in deep neural networks need infinitesimally small feedback signals, which is problematic in biologically realistic noisy environments and at odds with experimental evidence in neuroscience showing that top-down feedback can significantly influence neural activity. Building upon deep feedback control (DFC), a recently proposed credit assignment method, we combine strong feedback influences on neural activity with gradient-based learning and show that this naturally leads to a novel view on neural network optimization. Instead of gradually changing the network weights towards configurations with low output loss, weight updates gradually minimize the amount of feedback required from a controller that drives the network to the supervised output label. Moreover, we show that the use of strong feedback in DFC allows learning forward and feedback connections simultaneously, using a learning rule fully local in space and time. We complement our theoretical results with experiments on standard computer-vision benchmarks, showing competitive performance to backpropagation as well as robustness to noise. Overall, our work presents a fundamentally novel view of learning as control minimization, while sidestepping biologically unrealistic assumptions.


翻译:深层次学习的成功吸引了人们对于大脑是否利用梯度学习来学习等级表征的兴趣。然而,目前在深海神经网络中基于梯度的信用分配的生理合理方法需要极小的反馈信号,这在生物现实的吵闹环境中是成问题的,而且与神经科学中的实验性证据表明自上而下的反馈可以对神经活动产生重大影响。根据最近提议的深入反馈控制(DFC)方法,我们把对神经活动的强烈反馈与基于梯度的学习结合起来,并表明这自然导致对神经网络优化的新观点。我们的工作不是逐渐将网络重量改变为低产出损失的配置,而是逐渐将要求将控制者将网络驱动到受监督的产出标签的反馈量减少到最低限度。此外,我们表明,利用强有力的反馈使DFC能够同时学习前方和反馈关系,同时使用完全在空间和时间上当地学习的规则。我们用标准计算机观点基准的实验来补充理论结果,显示有竞争力的性能向回调,以及稳健的噪音。总的来说,我们的工作提出了一种根本的新观点,即学习控制最小化,同时对生物上不现实的假设。

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