The highly irregular spiking activity of cortical neurons and behavioral variability suggest that the brain could operate in a fundamentally probabilistic way. Mimicking how the brain implements and learns probabilistic computation could be a key to developing machine intelligence that can think more like humans. In this work, we propose a theory of stochastic neural computing (SNC) in which streams of noisy inputs are transformed and processed through populations of nonlinearly coupled spiking neurons. To account for the propagation of correlated neural variability, we derive from first principles a moment embedding for spiking neural network (SNN). This leads to a new class of deep learning model called the moment neural network (MNN) which naturally generalizes rate-based neural networks to second order. As the MNN faithfully captures the stationary statistics of spiking neural activity, it can serve as a powerful proxy for training SNN with zero free parameters. Through joint manipulation of mean firing rate and noise correlations in a task-driven way, the model is able to learn inference tasks while simultaneously minimizing prediction uncertainty, resulting in enhanced inference speed. We further demonstrate the application of our method to Intel's Loihi neuromorphic hardware. The proposed theory of SNC may open up new opportunities for developing machine intelligence capable of computing uncertainty and for designing unconventional computing architectures.


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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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