Inspired by "predictive coding" - a theory in neuroscience, we develop a bi-directional and dynamic neural network with local recurrent processing, namely predictive coding network (PCN). Unlike feedforward-only convolutional neural networks, PCN includes both feedback connections, which carry top-down predictions, and feedforward connections, which carry bottom-up errors of prediction. Feedback and feedforward connections enable adjacent layers to interact locally and recurrently to refine representations towards minimization of layer-wise prediction errors. When unfolded over time, the recurrent processing gives rise to an increasingly deeper hierarchy of non-linear transformation, allowing a shallow network to dynamically extend itself into an arbitrarily deep network. We train and test PCN for image classification with SVHN, CIFAR and ImageNet datasets. Despite notably fewer layers and parameters, PCN achieves competitive performance compared to classical and state-of-the-art models. Further analysis shows that the internal representations in PCN converge over time and yield increasingly better accuracy in object recognition. Errors of top-down prediction also reveal visual saliency or bottom-up attention.


翻译:在神经科学的理论“预测编码”的启发下,我们开发了一个双向和动态神经网络,由当地经常性处理,即预测编码网络(PCN)组成。 与进取型的进化型神经神经网络不同,PCN包括两种反馈连接,这些反馈连接带有自上而下预测,和进取型的进取型连接,这些反馈连接带有自下而上的预测错误。反馈和进取型连接使相邻的层能够在当地和经常互动,以完善尽可能减少分层预测错误的表示方式。随着时间的推移,经常性的处理导致非线性变换的层次日益加深,使浅端网络能够动态地扩展至任意的深层网络。我们培训和测试PCN,以便与SVHN、CIFAR和图像网络数据集进行图像分类。尽管层次和参数明显减少,但PCN与古典和最新模型相比具有竞争性的性能。进一步分析表明,PCN的内部表示随着时间的推移会趋同,在物体识别方面越来越精确。 上下游的预测错误还揭示了视觉突出或自下而下而引人注意。

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