توضیحاتی در مورد کتاب :
Издательство Springer, 1995, -354 pp.
جلد دوم از سری فیزیک شبکه های عصبی.
مدل های شبکه های عصبی I (
/file/1427677/)
مدل های عصبی شبکه های II. جنبه های زمانی کدگذاری و پردازش اطلاعات در سیستم های بیولوژیکی (
/file/1427678/)
مدل های شبکه های عصبی III. ارتباط، تعمیم، و بازنمایی (
/file/1427679/)
مدل های شبکه های عصبی IV. بینایی و توجه اولیه (
/file/1427681/)
از زمان ظهور Vol. در 1 مدلهای شبکههای عصبی در سال 1991، نظریه شبکههای عصبی بر دو پارادایم متمرکز شده است: کدگذاری اطلاعات از طریق شلیک منسجم نورونها و بازخورد عملکردی.
کدگذاری اطلاعات از طریق شلیک عصبی منسجم، از زمان به عنوان درجه آزادی اصلی استفاده میکند. . این ظرفیت یک شبکه عصبی بر این واقعیت استوار است که پتانسیل عمل عصبی یک سنبله کوتاه، مثلاً 1 میلی ثانیه، در مکان و زمان است. همبستگی مکانی و همچنین زمانی فعالیت ممکن است حالت های مختلف یک شبکه را نشان دهد. به طور خاص، همبستگیهای زمانی فعالیت ممکن است بیانگر این باشد که نورونها همان «ابژه»، مثلاً یک صحنه بصری را با اسپک زدن همزمان پردازش میکنند. توصیف سنتی یک شبکه عصبی از طریق نرخ شلیک، منحنی معروف S شکل، یک پنجره زمانی وسیع مثلاً حداقل 100 میلیثانیه را پیشفرض میگیرد. بنابراین نمی تواند از ظرفیت "پیوند" مجموعه هایی از نورون های شلیک کننده منسجم به منظور تقسیم بندی صحنه و جداسازی شکل-زمین استفاده کند.
بازخورد یک ویژگی غالب سازمان ساختاری مغز است. شبکه های عصبی مکرر به طور گسترده در ادبیات فیزیکی مورد مطالعه قرار گرفته اند، که با کار اولیه جان هاپفیلد (1982) شروع شده است. بازخورد عملکردی بین نواحی تخصصی مغز درگیر ایجاد می شود، به عنوان مثال، در بینایی زمانی که یک صحنه بصری تصویری را روی شبکیه ایجاد می کند، که به بدن ژنیکوله جانبی (LGN)، قشر بینایی اولیه، و سپس به نواحی با توابع "بالاتر". این دنباله شبیه یک ساختار پیشخور به نظر میرسد، اما ظاهرا فریبنده هستند، زیرا سیگنالهای تکرارشونده به همان اندازه قوی وجود دارد. انسان تعجب می کند که آنها برای چه چیزهایی خوب هستند و چگونه بر اسپیکینگ منسجم تأثیر می گذارند یا تنظیم می کنند. نقش آنها در کمک های مختلف به این جلد توضیح داده شده است، که تجزیه و تحلیل عمیقی از دو پارادایم ارائه می دهد. خواننده می تواند از بحث مفصلی در مورد ویژگی های برجسته مانند نوسانات منسجم و تشخیص آنها، پیوند و جداسازی انجمنی، یادگیری هبی، و محاسبات حسی در قشر بینایی و بویایی لذت ببرد.
هر جلد از مدل های شبکه های عصبی با مقاله طولانی تر که برخی از مبانی نظری را گرد هم می آورد. در اینجا فصل مقدماتی که توسط گرستنر و ون همن تالیف شده است، به کدگذاری و پردازش اطلاعات در شبکه های عصبی اختصاص دارد و بر مفاهیم اساسی که در مقالات بعدی مورد استفاده قرار خواهند گرفت، یا درمان خواهند شد، تمرکز دارد.
بیش از 10 سال پیش از این، کریستوف فون در مالسبورگ مقاله کلاسیک "نظریه همبستگی عملکرد مغز" را نوشت. این مقاله برای مدت طولانی فقط به عنوان گزارش داخلی موسسه شیمی بیوفیزیکی ماکس پلانک در گوتینگن، آلمان در دسترس بود و در اینجا در دسترس مخاطبان وسیعی قرار گرفته است. خواننده ممکن است تأیید کند که مفاهیمی که 10 سال پیش بدیع به نظر میرسیدند، در حال حاضر هم به همان اندازه بدیع هستند.
مقاله «میزان شلیک و رویدادهای بهموقع در قشر مغز» نوشته موشه آبلز دقیقاً همان کاری را انجام میدهد که عنوانش اعلام میکند. به طور خاص، آبلز استدلال های قانع کننده ای را ارائه می دهد که نرخ شلیک به خودی خود برای توصیف شلیک عصبی کافی نیست. Wolf Singer تجزیه و تحلیل دقیقی از "نقش همزمانی در پردازش نئوکورتتیکال و پلاستیسیته سیناپسی" ارائه میکند و با انجام این کار توضیح میدهد که شلیک منسجم برای چه چیزی خوب است. این مقاله جالبتر است زیرا او بر رابطه بین انسجام - یا همزمانی - و رفتار نوسانی اسپیکینگ در مقیاس گسترده و جهانی تمرکز میکند.
این ارتباط توسط ریتز و همکاران گرفته شده است. در مقاله خود "پیوند و جداسازی انجمنی در شبکه ای از نورون های اسپک شونده." در اینجا میتوان ترکیبی از تقسیمبندی صحنه و اتصال به مفهوم تداعی تکمیل الگو را در شبکهای که در آن کدگذاری عصبی فقط توسط اسپایکها انجام میشود، پیدا کرد. علاوه بر این، یک استدلال جدید ارائه شده است تا نشان دهد که یک ساختار سلسله مراتبی با اتصالات پیشخور و بازخورد ممکن است نقش غالبی در اتصال حساس به بافت بازی کند. ما این را یک مثال صریح از بازخورد عملکردی میدانیم زیرا یک ناحیه «بالاتر» زمینه را برای دادههای ارائهشده به چندین ناحیه «پایینتر» فراهم میکند.
نوسانهای منسجم مدتها قبل از اینکه در قشر بینایی کشف شوند در سیستم بویایی شناخته شده بودند. ژائوپینگ لی کار خود با جان هاپفیلد را در مقاله "مدل سازی محاسبات حسی پیاز بویایی" توصیف می کند. او نشان می دهد که در اینجا نیز می توان هم تشخیص بو و هم تقسیم بندی را با همان مدل توصیف کرد.
تا به حال از مفاهیم "انسجام" و "نوسان" به معنای آزاد استفاده می کردیم. ممکن است کسی بپرسد: چگونه می توان به هدف "تشخیص انسجام در داده های عصبی" دست یافت؟ این دقیقاً توسط کلاوس پاولزیک در مقاله خود با عنوان فوق توضیح داده شده است. او یک الگوریتم قدرتمند اطلاعاتی-نظری را با جزئیات ارائه می کند و استدلال های خود را با تجزیه و تحلیل داده های واقعی نشان می دهد. این نه تنها برای تجربیگرایان، بلکه برای نظریهپردازی که میخواهد بررسی کند که آیا مدل او نوعی انسجام را نشان میدهد یا خیر، مهم است و اگر چنین است، چه نوع توافقی با آزمایش قابل انتظار است.
همانطور که توسط چندین پیشنهاد شده است. به نظر می رسد که در مقالات این جلد ارتباط نزدیکی بین انسجام و شکل پذیری سیناپسی وجود دارد. به عنوان مثال، مقاله سینگر {Secs. 13 و 14) و فصل. 1 توسط گرستنر و ون همن. خود پلاستیسیته سیناپسی که موضوعی جذاب است، توسط براون و چاتارجی در مقالهشان «پلاستی سیناپسی هبی» توضیح داده شده است. در حال حاضر افسردگی طولانی مدت به عنوان یک عنصر اساسی در فرآیند یادگیری مورد قدردانی قرار می گیرد یا همانطور که ویلشاو به درستی آن را بیان می کند، "آنچه بالا می رود باید پایین بیاید." از سوی دیگر، ایده اصلی هب، فعالیت همبسته نورون پیش و پس سیناپسی، یک شرط ضروری برای القای تقویت طولانی مدت نشان داده شده است، اما هنوز پنجره زمانی مناسب همزمانی به طور واضح مشخص نشده است. همانطور که سینگر اشاره کرده و توسط الگوریتم هبی گرستنر و همکاران پیاده سازی شده است، یک پنجره زمانی کوچک در محدوده میلی ثانیه امکان یادگیری، ذخیره و بازیابی الگوهای سنبله مکانی-زمانی را می دهد. اینکه آیا چنین پنجره زمانی کوچکی ممکن است وجود داشته باشد یا نه، هنوز باید به صورت تجربی نشان داده شود.
مطالعه موردی بازخورد عملکردی یا، به قول آنها، ورود مجدد توسط اسپورنز، تونونی، و ادلمن در مقاله "ورودی مجدد و" ارائه شده است. فعل و انفعالات دینامیکی شبکه های قشری." این نویسندگان از طریق یک شبیهسازی عددی دقیق، این مشکل را تجزیه و تحلیل میکنند که چگونه فعالیت عصبی در قشر بینایی با توجه به سازماندهی عملکردی آن در مناطق مختلف یکپارچه میشود. به تعبیری، در این فصل بخشهای مختلف یک پازل بزرگ در کنار هم قرار میگیرند و یکپارچه میشوند تا یک معماری کاربردی ارائه دهند. بنابراین، مطمئناً این یکپارچگی موضوع حجم آینده مدلهای شبکههای عصبی خواهد بود.
کدگذاری و پردازش اطلاعات در شبکههای عصبی
نظریه همبستگی عملکرد مغز
نرخ شلیک و رویدادهای به موقع در مغز
نقش همزمانی در پردازش نئوکورتتیکال و پلاستیسیته سیناپسی
پیوند و جداسازی انجمنی در شبکه ای از نورون های اسپک
مدل سازی محاسبات حسی لامپ بویایی
تشخیص انسجام در داده های عصبی
انعطاف سیناپسی هبی: تکامل مفهوم معاصر
ورود مجدد و تعاملات پویا شبکه های قشری
توضیحاتی در مورد کتاب به زبان اصلی :
Издательство Springer, 1995, -354 pp.
The second volume of the Physics of Neural Networks series.
Models of Neural Networks I (
/file/1427677/)
Models of Neural Networks II. Temporal Aspects of Coding and Information Processing in Biological Systems (
/file/1427678/)
Models of Neural Networks III. Association, Generalization, and Representation (
/file/1427679/)
Models of Neural Networks IV. Early Vision and Attention (
/file/1427681/)
Since the appearance of Vol. 1 of Models of Neural Networks in 1991, the theory of neural nets has focused on two paradigms: information coding through coherent firing of the neurons and functional feedback.
Information coding through coherent neuronal firing exploits time as a cardinal degree of freedom. This capacity of a neural network rests on the fact that the neuronal action potential is a short, say 1 ms, spike, localized in space and time. Spatial as well as temporal correlations of activity may represent different states of a network. In particular, temporal correlations of activity may express that neurons process the same "object" of, for example, a visual scene by spiking at the very same time. The traditional description of a neural network through a firing rate, the famous S-shaped curve, presupposes a wide time window of, say, at least 100 ms. It thus fails to exploit the capacity to "bind" sets of coherently firing neurons for the purpose of both scene segmentation and figure-ground segregation.
Feedback is a dominant feature of the structural organization of the brain. Recurrent neural networks have been studied extensively in the physical literature, starting with the ground breaking work of John Hopfield (1982). Functional feedback arises between the specialized areas of the brain involved, for instance, in vision when a visual scene generates a picture on the retina, which is transmitted to the lateral geniculate body (LGN), the primary visual cortex, and then to areas with "higher" functions. This sequence looks like a feed-forward structure, but appearances are deceiving, for there are equally strong recurrent signals. One wonders what they are good for and how they influence or regulate coherent spiking. Their role is explained in various contributions to this volume, which provides an in-depth analysis of the two paradigms. The reader can enjoy a detailed discussion of salient features such as coherent oscillations and their detection, associative binding and segregation, Hebbian learning, and sensory computations in the visual and olfactory cortex.
Each volume of Models of Neural Networks begins with a longer paper that puts together some theoretical foundations. Here the introductory chapter, authored by Gerstner and van Hemmen, is devoted to coding and information processing in neural networks and concentrates on the fundamental notions that will be used, or treated, in the papers to follow.
More than 10 years ago Christoph von der Malsburg wrote the meanwhile classical paper "The correlation theory of brain function." For a long time this paper was available only as an internal report of the Max-Planck Institute for Biophysical Chemistry in Gottingen, Germany, and is here made available to a wide audience. The reader may verify that notions which seemed novel 10 years ago still are equally novel at present.
The paper "Firing rates and well-timed events in the cerebral cortex" by Moshe Abeles does exactly what its title announces. In particular, Abeles puts forward cogent arguments that the firing rate by itself does not suffice to describe neuronal firing. Wolf Singer presents a careful analysis of "The role of synchrony in neocortical processing and synaptic plasticity" and in so doing explains what coherent firing is good for. This essay is the more interesting since he focuses on the relation between coherence - or synchrony - and oscillatory behavior of spiking on a global, extensive scale.
This connection is taken up by Ritz et al. in their paper "Associative binding and segregation in a network of spiking neurons." Here one finds a synthesis of scene segmentation and binding in the associative sense of pattern completion in a network where neural coding is by spikes only. Moreover, a novel argument is presented to show that a hierarchical structure with feed-forward and feedback connections may play a dominant role in context sensitive binding. We consider this an explicit example of functional feedback as a "higher" area provides the context to data presented to several "lower" areas.
Coherent oscillations were known in the olfactory system long before they were discovered in the visual cortex. Zhaoping Li describes her work with John Hopfield in the paper "Modeling the sensory computations of the olfactory bulb." She shows that here too it is possible to describe both odor recognition and segmentation by the very same model.
Until now we have used the notions "coherence" and "oscillation" in a loose sense. One may ask: How can one attain the goal of "Detecting coherence in neuronal data?" Precisely this is explained by Klaus Pawelzik in his paper with the above title. He presents a powerful information-theoretic algorithm in detail and illustrates his arguments by analyzing real data. This is important not only for the experimentalist but also for the theoretician who wants to verify whether his model exhibits some kind of coherence and, if so, what kind of agreement with experiment is to be expected.
As is suggested by several papers in this volume, there seems to be a close connection between coherence and synaptic plasticity; see, for example, the essay by Singer {Secs. 13 and 14) and Chap. 1 by Gerstner and van Hemmen. Synaptic plasticity itself, a fascinating subject, is expounded by Brown and Chattarji in their paper "Hebbian synaptic plasticity." By now long-term depression is appreciated as an essential element of the learning process or, as Willshaw aptly phrased it, "What goes up must come down." On the other hand, Hebb's main idea, correlated activity of the preand postsynaptic neuron, has been shown to be a necessary condition for the induction of long-term potentiation but the appropriate time window of synchrony has not been determined unambiguously yet. A small time window in the millisecond range would allow to learn, store, and retrieve spatio-temporal spike patterns, as has been pointed out by Singer and implemented by the Hebbian algorithm of Gerstner et al. Whether or not such a small time window may exist is still to be shown experimentally.
A case study of functional feedback or, as they call it, reentry is provided by Sporns, Tononi, and Edelman in the essay "Reentry and dynamical interactions of cortical networks." Through a detailed numerical simulation these authors analyze the problem of how neural activity in the visual cortex is integrated given its functional organization in the different areas. In a sense, in this chapter the various parts of a large puzzle are put together and integrated so as to give a functional architecture. This integration, then, is sure to be the subject of a future volume of Models of Neural Networks.
Coding and Information Processing in Neural Networks
The Correlation Theory of Brain Function
Firing Rates and Well-Timed Events in the Cerebral
The Role of Synchrony in Neocortical Processing and Synaptic Plasticity
Associative Binding and Segregation in a Network of Spiking Neurons
Modeling the Sensory Computations of the Olfactory Bulb
Detecting Coherence in Neuronal Data
Hebbian Synaptic Plasticity: Evolution of the Contemporary Concept
Reentry and Dynamical Interactions of Cortical Networks