[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出了一种脉冲神经网络模型，通过汇编投影为概念分配主题角色（例如，主语、宾语），实现在无需路由的情况下的结构化信息检索与复制。该模型通过将神经汇编与概念角色对齐，展示了脉冲网络中抽象推理的可行性，其结果与颞叶皮层组织的fMRI数据一致。

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.

研究动机与目标

• 解决现有神经网络模型缺乏抽象推理能力的问题。
• 基于fMRI对颞叶皮层中角色特异性汇编的证据，建模大脑如何为概念分配主题角色（例如，主语、宾语）。
• 在脉冲神经网络中开发一种结构化信息检索与复制机制。
• 证明该机制可在脉冲神经元网络中实现，支持更高级别的认知计算。

提出的方法

• 该模型使用颞叶皮层亚区内的分布式汇编表示主题角色，每个汇编由分配给该角色的概念塑造。
• 汇编投影将概念表征与主题角色表征连接，实现概念到角色的动态分配。
• 网络使用基于脉冲的通信和时间编码，支持无需显式路由机制的结构化信息检索与复制。
• 该模型基于实验性fMRI数据，显示人类大脑中存在角色特异性的神经汇编。
• 通过在脉冲网络动态中嵌入概念角色，实现抽象推理的概念验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何以支持神经网络中抽象推理的方式为概念分配主题角色？
• RQ2 在脉冲神经网络中，汇编投影能否在无需路由的情况下实现结构化信息检索与复制？
• RQ3 颞叶皮层中的神经汇编如何支持为概念分配主题角色，如fMRI数据所观察到的？
• RQ4 是否可以使用生物上合理的机制在脉冲神经元网络中实现抽象推理功能？

主要发现

• 该模型成功在脉冲神经网络中通过汇编投影实现了为概念分配主题角色。
• 该机制实现了无需显式路由路径的结构化信息检索与复制。
• 该模型与fMRI证据一致，表明颞叶皮层中的主题角色汇编受分配给它们的概念塑造。
• 已证明其可行性，表明通过该机制，抽象推理能力可在脉冲神经网络中涌现。