Biologically plausible neural architectures

This thesis begins with the most important historical milestones for Neural Networks. This research area has a long history, which is usually set to have begun with McCulloch and Pitts and their neuron model. Other important historical milestones include the work of Donald Hebb from which Hebbian Le...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Ντάνης, Αδαμάντιος
Άλλοι συγγραφείς: Ntanis, Adamantios
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14672
id nemertes-10889-14672
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Machine learning
Spiking neural networks
Computational neuroscience
Μηχανική μάθηση
Νευρωνικά δίκτυα
Υπολογιστική νευροεπιστήμη
spellingShingle Machine learning
Spiking neural networks
Computational neuroscience
Μηχανική μάθηση
Νευρωνικά δίκτυα
Υπολογιστική νευροεπιστήμη
Ντάνης, Αδαμάντιος
Biologically plausible neural architectures
description This thesis begins with the most important historical milestones for Neural Networks. This research area has a long history, which is usually set to have begun with McCulloch and Pitts and their neuron model. Other important historical milestones include the work of Donald Hebb from which Hebbian Learning originated, as well as the research of Frank Rosenblatt on Perceptrons. Afterwards, this work introduces Spiking Neural Networks. More specifically, among the different kinds of neural networks lies the Spiking Neural Network, which is considered as the 3rd generation right after Perceptrons and networks of generalized McCulloch and Pitts neurons employing an activation function with a continuous set of possible output values. Spiking neurons compute in a fundamentally different way than their "predecessors", basing their operation in neurophysiological principles. Next, the thesis continues by providing the necessary theoretical foundation for the understanding and construction of Spiking Neural Networks. Specifically, in order to build these structures, we first have to study the function of the basic elements of biological neural systems, namely the biological neurons and synapses. The neurons are the fundamental building blocks of neural systems and their information processing units while the synapses are the means of communication between the neurons. Important concepts that we come across in studying neurons and synapses include action potentials, spike trains, membrane potential and firing rates. Utilizing the aforementioned knowledge, this work moves on to building neuron models, each one having a varying degree of biological faithfulness, and different use capabilities. These are the models that can be used as the basic building blocks in the construction of larger neural structures. Three important examples of such models, and specifically the ones presented in this work, are the Spike Response Model, the Leaky Integrate-And-Fire Model and the Hodgkin-Huxley Model. After describing and building the necessary models to explain the neural functions we are interested in, we now have in our toolbox all we need to carry on with the building Spiking Neural Networks. Hence, we proceed with this thesis, by connecting the neuron models, form different architectures and eventually deploying them in simulations, thus exploring their behaviour. The Leaky Integrate-And-Fire model is the one used in the simulations and also the most commonly used in general, enabling us to easily implement and visualize a plethora of meaningful properties of neural systems. Concluding this work, we explore in detail the neural encoding and decoding processes by building a pipeline that converts an analog signal into spike trains and then reconstructs it from those spike trains. The encoding process uses a specific neural architecture as an encoder while the decoding procedure using signal processing techniques reconstructs the initial signal.
author2 Ntanis, Adamantios
author_facet Ntanis, Adamantios
Ντάνης, Αδαμάντιος
author Ντάνης, Αδαμάντιος
author_sort Ντάνης, Αδαμάντιος
title Biologically plausible neural architectures
title_short Biologically plausible neural architectures
title_full Biologically plausible neural architectures
title_fullStr Biologically plausible neural architectures
title_full_unstemmed Biologically plausible neural architectures
title_sort biologically plausible neural architectures
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/14672
work_keys_str_mv AT ntanēsadamantios biologicallyplausibleneuralarchitectures
AT ntanēsadamantios biologikaalēthophaneisneurōnikesarchitektonikes
_version_ 1771297139225264128
spelling nemertes-10889-146722022-09-05T05:00:22Z Biologically plausible neural architectures Βιολογικά αληθοφανείς νευρωνικές αρχιτεκτονικές Ντάνης, Αδαμάντιος Ntanis, Adamantios Machine learning Spiking neural networks Computational neuroscience Μηχανική μάθηση Νευρωνικά δίκτυα Υπολογιστική νευροεπιστήμη This thesis begins with the most important historical milestones for Neural Networks. This research area has a long history, which is usually set to have begun with McCulloch and Pitts and their neuron model. Other important historical milestones include the work of Donald Hebb from which Hebbian Learning originated, as well as the research of Frank Rosenblatt on Perceptrons. Afterwards, this work introduces Spiking Neural Networks. More specifically, among the different kinds of neural networks lies the Spiking Neural Network, which is considered as the 3rd generation right after Perceptrons and networks of generalized McCulloch and Pitts neurons employing an activation function with a continuous set of possible output values. Spiking neurons compute in a fundamentally different way than their "predecessors", basing their operation in neurophysiological principles. Next, the thesis continues by providing the necessary theoretical foundation for the understanding and construction of Spiking Neural Networks. Specifically, in order to build these structures, we first have to study the function of the basic elements of biological neural systems, namely the biological neurons and synapses. The neurons are the fundamental building blocks of neural systems and their information processing units while the synapses are the means of communication between the neurons. Important concepts that we come across in studying neurons and synapses include action potentials, spike trains, membrane potential and firing rates. Utilizing the aforementioned knowledge, this work moves on to building neuron models, each one having a varying degree of biological faithfulness, and different use capabilities. These are the models that can be used as the basic building blocks in the construction of larger neural structures. Three important examples of such models, and specifically the ones presented in this work, are the Spike Response Model, the Leaky Integrate-And-Fire Model and the Hodgkin-Huxley Model. After describing and building the necessary models to explain the neural functions we are interested in, we now have in our toolbox all we need to carry on with the building Spiking Neural Networks. Hence, we proceed with this thesis, by connecting the neuron models, form different architectures and eventually deploying them in simulations, thus exploring their behaviour. The Leaky Integrate-And-Fire model is the one used in the simulations and also the most commonly used in general, enabling us to easily implement and visualize a plethora of meaningful properties of neural systems. Concluding this work, we explore in detail the neural encoding and decoding processes by building a pipeline that converts an analog signal into spike trains and then reconstructs it from those spike trains. The encoding process uses a specific neural architecture as an encoder while the decoding procedure using signal processing techniques reconstructs the initial signal. Αυτή η διπλωματική ξεκινάει με τα πιο σημαντικά ιστορικά ορόσημα για τα Νευρωτικά Δίκτυα. Αυτή η ερευνητική περιοχή έχει μία μακρά ιστορία, η οποία συνήθως θεωρείται ότι ξεκίνησε με τον McCulloch και τον Pitts και το μοντέλο νευρώνα τους. Άλλα σημαντικά ιστορικά επιτεύγματα περιλαμβάνουν τη δουλειά του Donald Hebb από την οποία προέρχεται η Hebbian Μάθηση, καθώς και η έρευνα του Frank Rosenblatt στα Perceptrons. Στη συνέχεια αυτή η εργασία παρουσιάζει τα Spiking Neural Networks. Πιο συγκεκριμένα, μεταξύ των διαφορετικών ποικιλιών νευρωνικών δικτύων βρίσκεται το είδος των Spiking Neural Network, τα οποία θεωρούνται ως η 3η γενιά αμέσως μετά τα Perceptrons και τα δίκτυα γενικευμένων McCulloch και Pitts νευρώνων τα οποία χρησιμοποιούν συνεχείς συναρτήσεις ενεργοποίησης. Τα Spiking Neural Networks λειτουργούν με εντελώς διαφορετικό τρόπο από τους “προκατόχους" τους βασίζοντας αυτή τους τη λειτουργία σε νευροφυσιολογικές αρχές. Ύστερα, η διπλωματική συνεχίζει παρέχοντας το αναγκαίο θεωρητικό υπόβαθρο για την κατανόηση και την κατασκευή των Spiking Neural Networks. Συγκεκριμένα για να χτίσουμε αυτές τις δομές αρχικά πρέπει να εξετάσουμε τη λειτουργία των βασικών στοιχείων των βιολογικών νευρικών συστημάτων, τα οποία είναι οι βιολογικοί νευρώνες και συνάψεις. Οι νευρώνες αποτελούν τα θεμελιώδη στοιχεία για την κατασκευή νευρικών συστημάτων καθώς και τις επεξεργαστικές μονάδες των πληροφοριών τους, ενώ οι συνάψεις είναι ο επικοινωνιακός δίαυλος μεταξύ των νευρώνων. Σημαντικές έννοιες που συναντάμε στη μελέτη των νευρώνων και των συνάψεων αποτελούν το δυναμικό ενέργειας (action potential, spike), οι ακολουθίες δυναμικών ενέργειας (spike trains), το δυναμικό μεμβράνης (membrane potential) καθώς και η συχνότητα εκπομπής δυναμικών ενέργειας (firing rate). Χρησιμοποιώντας τις προηγούμενες γνώσεις, προχωράμε σε αυτή την εργασία, χτίζοντας μοντέλα νευρώνων, με το κάθε ένα από αυτά να έχει διαφορετικό βαθμό βιολογικής πιστότητας καθώς και διαφορετικές δυνατότητες. Αυτά είναι τα μοντέλα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν τα βασικά δομικά στοιχεία στην κατασκευή μεγαλύτερων νευρωνικών δομών. Τρία σημαντικά παραδείγματα τέτοιων μοντέλων, και συγκεκριμένα αυτά που παρουσιάζονται στην εργασία, είναι το Spike Response Model, το Leaky Integrate-And-Fire Model και το Hodgkin-Huxley Model. Αφού έχουμε περιγράψει και χτίσει τα απαραίτητα μοντέλα για την εξήγηση των νευρικών λειτουργιών που μας ενδιαφέρουν, έχουμε πλέον στη διάθεση μας όλα όσα χρειαζόμαστε ώστε να προχωρήσουμε στην κατασκευή Spiking Neural Networks. Οπότε, συνεχίζουμε στη διπλωματική, συνδέοντας τα μοντέλα νευρώνων, συνθέτοντας διαφορετικές αρχιτεκτονικές και εν τέλει αξιοποιώντας αυτές σε προσομοιώσεις, εξερευνώντας με αυτόν τον τρόπο τη συμπεριφορά τους. Το Leaky Integrate-And-Fire Model είναι αυτό που χρησιμοποιείται στις προσομοιώσεις, αλλά και που χρησιμοποιείται συνηθέστερα γενικά, επιτρέποντας μας να υλοποιήσουμε και να οπτικοποιήσουμε, με μεγάλη ευκολία, μία πληθώρα σημαντικών λειτουργιών των νευρικών συστημάτων. Ολοκληρώνοντας την εργασία, εξερευνούμε με λεπτομέρεια τις λειτουργίες της νευρικής κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης χτίζοντας μία πλήρη διαδικασία η οποία μετατρέπει ένα αναλογικό σήμα σε ακολουθίες δυναμικών ενέργειας (spike trains) και στη συνέχεια το ανασυνθέτει από αυτά τα δυναμικά. Η λειτουργία της νευρικής κωδικοποίησης χρησιμοποιεί μία συγκεκριμένη νευρωνική αρχιτεκτονική ως κωδικοποιητή, ενώ η αποκωδικοποίηση χρησιμοποιεί τεχνικές επεξεργασίας σημάτων για να ανασυνθέσει το αρχικό σήμα. 2021-03-11T15:20:43Z 2021-03-11T15:20:43Z 2021-03-04 http://hdl.handle.net/10889/14672 en application/pdf application/pdf