Топологические вычисления в импульсных нейронных сетях

Цель работы

разработать импульсные нейронные сети, позволяющих реализовать волновые взаимодействия нейронной активности и предложить способы обучения таких сетей, с целью реализовать топологические вычисления.

Описание проекта

Нейронные сети, выращенные in vitro, моделируют структуры, приближенные к реальным областям мозга и, таким образом, имеют большой потенциал для практического применения. В частности, в качестве “компьютера в пробирке”. Несмотря на большие усилия, в экспериментальных исследованиях до сих пор не удается реализовать вычислительные возможности подобных систем. Основная проблема связана с разработкой “алгоритмов” обучения, направленных на создание “живого компьютера”, подобного искусственным нейронным сетям. Назревающий кризис в данном направлении, с одной стороны, может свидетельствовать о недостаточном понимании принципов обучения, реализующихся в нейронных сетях мозга и их кардинальном отличии от известных алгоритмов, используемых в искусственных сетях. С другой стороны, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что волны либо островки нейрональной активности могут играть роль основных функциональных единиц в информационных процессах мозга. Иными словами, обработка информации может проходить не локально в конкретных нейронах, а на сетевом уровне за счет волновых взаимодействий.

Чтобы разрешить возникшие противоречия, в рамках проекта предлагается предложить и исследовать новую концепцию “топологических вычислений”, реализуемых в нейронных сетях. Особенность данного подхода заключается в использовании пространственных координат элементов сети в качестве одного из ключевых параметров, определяющих ее функциональные, т.е. вычислительные свойства. В качестве информационных единиц таких вычислений выступают пространственно-временные паттерны нейронной активности, представляющие собой волновые фронты распространяющегося возбуждения. Топологические вычисления, в частности, позволят решать задачи ассоциации определенных видов стимулов с выходной нейронной активностью, т.е., задачу классификации.

Координатор проекта

д.ф-м.н. Лобов Сергей Анатольевич(losa@yandex.ru)