[论文解读] Neuronal noise as a physical resource for human cognition

T. N. Palmer, Michael O’Shea|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2014

stochastic dynamics and bifurcation参考文献 15被引用 5

一句话总结

本文提出，神经噪声——此前被视为神经信号传递中的有害干扰——实则是一种基本的物理资源，使人类大脑能够实现能效更高的混合计算。通过利用离子通道中的热噪声作为概率计算的基础，大脑通过概率与确定性处理模式之间的协同作用，实现了鲁棒、直觉性且富有创造性的问题求解能力。

ABSTRACT

A new class of energy-efficient digital microprocessor is being developed which is susceptible to thermal noise and consequently operates in probabilistic rather than conventional deterministic mode. Hybrid computing systems which combine probabilistic and deterministic processors can provide robust and efficient tools for computational problems that hitherto would be intractable by conventional deterministic algorithm. These developments suggest a revised perspective on the consequences of ion-channel noise in slender axons, often regarded as a hindrance to neuronal computations. It is proposed that the human brain is such an energy-efficient hybrid computational system whose remarkable characteristics emerge from constructive synergies between probabilistic and deterministic modes of operation. In particular, the capacity for intuition and creative problem solving appears to arise naturally from such a hybrid system. Bearing in mind that physical thermal noise is both pure and available at no cost, our proposal has implications for attempts to emulate the energy-efficient human brain on conventional energy-intensive deterministic supercomputers.

研究动机与目标

• 将神经噪声从有害因素重新定位为人类认知中的建设性物理资源。
• 探讨通过细长轴突中的热噪声实现的概率计算如何促成大脑的能效功能。
• 研究结合概率与确定性处理器的混合系统所具备的计算优势。
• 在新兴神经形态计算硬件与大脑潜在的混合架构之间建立类比。
• 解释直觉与创造性问题解决能力如何作为此类混合系统自然演化的结果。

提出的方法

• 将新兴的能效型概率微处理器与生物神经计算进行类比。
• 将细长轴突中离子通道的噪声建模为可控概率计算的来源。
• 提出大脑作为一个混合系统运行，整合了确定性与概率处理模式。
• 运用统计力学与信息论的原理，将噪声视为资源而非缺陷。
• 分析混合系统在求解难解问题时的计算鲁棒性与效率。
• 强调纯净、无成本的热噪声作为生物计算中基础物理资源的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将传统上被视为障碍的神经噪声重新解释为神经计算中的有益物理资源？
• RQ2 大脑中概率与确定性处理之间的协同作用会产生哪些计算优势？
• RQ3 大脑的架构在哪些方面与新兴的混合概率-确定性计算系统相似？
• RQ4 热噪声的使用如何在生物系统中实现能效更高且鲁棒的问题求解？
• RQ5 神经噪声在实现直觉与创造力等认知功能中扮演何种角色？

主要发现

• 细长轴突中离子通道的噪声不仅是误差源，更可作为概率计算的物理基础。
• 人类大脑可能作为能效更高的混合计算系统运行，结合了确定性与概率处理模式。
• 利用热噪声的的概率微处理器在求解确定性系统无法处理的问题时表现出鲁棒性与效率。
• 直觉与创造性问题解决能力自然地从此类混合系统中概率与确定性模式的相互作用中产生。
• 热噪声是一种纯净、丰富且无成本的物理资源，可被用于生物与人工系统中的计算。
• 在传统确定性超级计算机上模拟大脑的能效计算在根本上受限于能量约束与架构不匹配。