[論文レビュー] Assembly projections support the assignment of thematic roles to concepts in networks of spiking neurons

Robert Legenstein, Michael G. Müller+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2016

Neural dynamics and brain function参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、スパikingニューラルネットワークモデルを提案し、アセンブリプロジェクションを用いて概念に主題的役割（例：主語、目的語）を割り当てることで、ルーティングを必要とせずに構造化された情報検索とコピーを可能にする。このモデルは、神経アセンブリを概念的役割と一致させることで、スパikingネットワークにおける抽象的推論の証明的実装を示しており、側頭皮質の組織に関するfMRIデータと整合的である。

ABSTRACT

Currently existing neural network models lack an important computational capability of networks of neurons in the brain: the capability to reason on an abstract level, and to structure information according to abstract categories. While hardly anything is known about the processes underlying these capabilities in the human brain, experimental evidence for the organization of an important prerequisite for abstract reasoning has recently been found: for assigning words to thematic roles, such as subject or object. Such data from fMRI recordings indicate that assemblies in subregions of temporal cortex which encode thematic roles are shaped by concepts that are assigned to that role. We propose a model for the assignment of thematic content to variables that is consistent with these data and provides new functions to neural network computations. We provide a proof of principle that this model can be implemented even in networks of spiking neurons. It enables structured information retrieval and copying of information without routing, and provides a basis for the emulation of more demanding cognitive computations in networks of spiking neurons.

研究の動機と目的

• 既存のニューラルネットワークモデルに抽象的推論能力が欠如しているという問題に対処すること。
• fMRIによる側頭皮質における役割特異的アセンブリの証拠に基づき、脳における主題的役割（例：主語、目的語）が概念にどのように割り当てられるかをモデル化すること。
• スパキングニューラルネットワークにおける構造化された情報検索とコピーのためのメカニズムを開発すること。
• このメカニズムがスパキングニューロンのネットワークで実装可能であり、高レベルの認知計算を支援できることを示すこと。

提案手法

• モデルは、側頭皮質のサブ領域における分散型アセンブリを用いて主題的役割を表現し、各アセンブリはその役割に割り当てられた概念によって形作られる。
• アセンブリプロジェクションにより、概念表現と主題的役割表現を結びつけ、概念に対する役割の動的割り当てを可能にする。
• ネットワークはスパイクベースの通信と時間的符号化を用いて、明示的なルーティング機構を必要とせずに、構造化された情報検索とコピーを支援する。
• 実験的fMRIデータに基づき、人間の脳における役割特異的神経アセンブリの存在を裏付ける。
• スパキングネットワークダイナミクス内に概念的役割を埋め込むことで、抽象的推論の証明的実装を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、ニューラルネットワークにおける抽象的推論を支援する形で、概念に主題的役割を割り当てられるか？
• RQ2 スパキングニューラルネットワークにおけるアセンブリプロジェクションは、ルーティングを伴わずに構造化された情報検索とコピーを実装できるか？
• RQ3 側頭皮質における神経アセンブリは、fMRIデータで観察されたように、どのようにして概念に主題的役割を割り当てるか？
• RQ4 生物学的に妥当なメカニズムを用いて、スパキングニューロンのネットワークに抽象的推論機能を実装することは可能か？

主な発見

• モデルは、スパキングニューラルネットワークにおけるアセンブリプロジェクションを用いて、概念に主題的役割を割り当てる機能を成功裏に実装した。
• このメカニズムは、明示的なルーティングパスを必要とせずに、構造化された情報検索とコピーを可能にする。
• モデルは、主題的役割アセンブリが割り当てられた概念によって形作られるというfMRIの証拠と整合的である。
• 抽象的推論機能が、このメカニズムを通じてスパキングニューラルネットワークに出現しうることを、証明的実装として示した。