Neural network structure reconstruction for energy efficient computation
(Representative papers: T. Leleu et al., PRE, 91(2):022804, 2015; T. Leleu et al., NOLTA, IEICE, 9(2):281–294, 2018. Other)
Reconstructing accurately the structure of neural networks from biological data is essential for the analysis of simultaneous recordings from many neurons, and, in turn, for the understanding of neural codes. Classical techniques that are based on pairwise correlations can be used for extracting “functional connections” but does not map unambiguously to a given set of physical (synaptic) connections. In order to resolve this ambiguity, we have proposed recently a method for which there is one-to-one correspondence between statistical properties of packets of spikes (or bursts) and the structure of synaptic connections. This technique can be applied to the reconstruction of synaptic connectivity with fine precision during the development of in-vitro cultures or during learning using in vivo data. The method relies on mathematical combinatorics and a similar method can be generalized to various neuronal models. We are collaborating with experimentalists that develop novel bio-probes and are analyzing recordings from cultured neuronal networks coupled to microelectrode arrays. The goal of this research is the identification of neural patterns that emerge in vitro and in vivo data, and the analysis of their advantage in terms of energy efficient computation. Longer term goals are the design of neural prostheses that reproduce as precisely as possible the firing statistics of healthy neural substrate.
エネルギー効率の良い計算のためのニューラルネットワーク構造再構成
(代表論文:T. Leleu et al.、PRE、91(2):022804、2015; T. Leleu et al.、NOLTA、9(2):281-294、2018。その他)
生物学的データからニューラルネットワークの構造を正確に再構成することは、多くのニューロンからの同時記録を分析するために、そして次に神経コードを理解するために不可欠である。ペアワイズ相関に基づく古典的な技術は、「機能的接続」を抽出するために使用することができるが、所与の物理的(シナプス)接続のセットに明確にマッピングすることはない。このあいまいさを解決するために、スパイク(またはバースト)のパケットの統計的性質とシナプス結合の構造との間に一対一の対応がある方法を最近提案した。この手法は、in vitro培養の開発中またはin vivoデータを使用した学習中に、高精度でシナプス結合の再構築に適用できます。この方法は数学的組み合わせに依存しており、同様の方法を様々なニューロンモデルに一般化することができる。我々は、新規バイオプローブを開発し、微小電極アレイに結合された培養神経回路網からの記録を分析している実験者と協力しています。この研究の目的は、in vitroおよびin vivoデータに現れる神経パターンの同定、およびエネルギー効率の高い計算に関するそれらの利点の分析です。 長期的な目標は、健康な神経基質の発火統計をできるだけ正確に再現する神経補綴物の設計です。
Neuro-inspired algorithms for solving combinatorial optimization problems
(Representative papers: T. Leleu et al. Physical Review Letters, 122:040607, 2019; Timothee Leleu et al., Physical Review E, 95(2):022118, 2017)
We have shown recently that, contrarily to general belief, neuro-inspired systems can solve some combinatorial optimization problems (in particular Ising problems) more efficiently than state-of-the-art heuristics running on classical computers (such as the BLS algorithm). Our method is based on relaxation of binary spins to analog values and the addition of “error-encoding” neurons that allow improving the performance compared to previously proposed neural network approaches, notably by control of amplitude heterogeneity. We are extending the concepts of chaotic neural networks, that were proposed for solving the minima problem of Hopfield neural networks, and propose a robust scheme that do not get stuck in a subspace of non-optimal solution due to chaotic traps, by imposing that the entropy production rate of the system remains always positive. We are extending this method other types of problems such as satisfiability (SAT) and quadratic assignment problems (QAP), by notably utilizing technique called the valid-subspace approach. In order to explain the good performance of the proposed scheme, we are applying complexity analysis that come from the theory of spin glasses, notably the dynamical TAP approach. The neural network approach that we propose include the systematic mapping of combinatorial optimization problems, reduction of problem sizes, automated tuning of parameters of the algorithm, and automated configuration of the artificially neural network structure. This work shows that neural network approaches to combinatorial optimization are close to a paradigm shift tipping point that is similar to the one that have been taking place recently in the field of machine learning with the development of deep learning.
組合せ最適化問題を解くための神経に触発されたアルゴリズム
(代表論文:T. Leleu et al.、PRL、122:040607、2019; T. Leleu et al.、PRE、95(2):022118、2017)
一般的な信念に反して、ニューロに触発されたシステムは古典的なコンピュータ上で実行される最先端のヒューリスティック(BLSアルゴリズムなど)よりも効率的にいくつかの組み合わせ最適化問題(特にイジング問題)を解くことができる。我々の方法は、バイナリ振幅のアナログ値への緩和と、特に振幅不均一性の制御による、以前に提案されたニューラルネットワークアプローチと比較して性能を改善することを可能にする「エラー符号化」ニューロンの追加に基づく。 Hopfieldニューラルネットワークの最小問題を解決するために提案されたカオスニューラルネットワークの概念を拡張し、カオストラップのために最適でない解の部分空間に行き詰まらないロバストスキームを提案します。システムのエントロピー生成率は常に正のままである。特に有効部分空間法と呼ばれる手法を利用することによって、この方法を充足可能性(SAT)や2次割り当て問題(QAP)などの他の種類の問題に拡張しています。提案された方式の優れた性能を説明するために、我々はスピングラスの理論、特に動的TAPアプローチから来る複雑さ分析を適用している。我々が提案するニューラルネットワークアプローチは、組合せ最適化問題の系統的マッピング、問題サイズの縮小、アルゴリズムのパラメータの自動調整、および人工的ニューラルネットワーク構造の自動構成を含む。この研究は、コンビナトリアル最適化へのニューラルネットワークアプローチが、ディープラーニングの開発を伴う機械学習の分野で最近行われているものと同様のパラダイムシフト転換点に近いことを示している。
Engineering of neuro-inspired unconventional hardware for energy efficient computation
(Representative papers: Yoshihisa Yamamoto, Kazuyuki Aihara, Timothee Leleu, et al., Nature Partner Journal: Quantum Information, 3(1):49, 2017)
Neuro-inspired approaches to solving combinatorial optimization problems can be implemented directly on unconventional hardware that, by construction, allow faster and more efficient computation because of their lower-level organization resembles neural systems. In particular, we have implemented using Field-Programmable Gate Arrays, which is a readily commercially available hardware, the neuro-inspired method we have proposed for solving combinatorial optimization and shown that 100 to 1000 reduction in the time in solving hard problems can be achieved using this hardware. In our research we are engineering similar algorithms on emerging hardware that will very likely, in the long run, replace digital electronics for certain special-purpose computing. In particular, we have proposed an opto-electronic implementation of type I and type II spiking neural networks, and extending our models to the implementation of our schemes on integrated photonics. The development of computational schemes that solve combinatorial optimization problems using time-coding in spiking neural networks and their implementation on various neuromorphic hardware is an important aspect of our research.
エネルギー効率の高い計算のためのニューロに触発された型にはまらないハードウェアのエンジニアリング
(代表論文:山本義久、相原一之、T. Leleuら、Nature Partner Journal:量子情報、3(1):49、2017)
コンビナトリアル最適化問題を解くためのニューロに触発されたアプローチは、その低レベルの構成がニューラルシステムに似ているため、構造上、より速くそしてより効率的な計算を可能にする非伝統的ハードウェア上で直接実行できる。特に、市販のハードウェアであるフィールドプログラマブルゲートアレイを用いて、組み合わせ最適化を解決するために提案したニューロインスパイアード法を実行し、困難な問題を解決する時間を100から1000に短縮できることを示した。このハードウェアを使う私たちの研究では、長期的には特定の特殊用途のコンピューティングのためにデジタルエレクトロニクスを置き換える可能性が非常に高い新興のハードウェア上で同様のアルゴリズムを設計しています。特に、我々は現在実験的に実現されている集積型フォトニクス上の我々の方式の実行へと我々のモデルを拡張するタイプIとタイプIIのスパイキングニューラルネットワークの光電子的実行を提案する。スパイキングニューラルネットワークにおける時間符号化を使用して組み合わせ最適化問題を解く計算スキームの開発および様々なニューロモルフィックハードウェア上でのそれらの実装は我々の研究の重要な側面である。