Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Teichmann, Michael
Hamker, Fred (Prof. Dr.)(Gutachter); Alexandre, Frédéric (Directeur de recherche)(Gutachter)
A plastic multilayer network of the early visual system inspired by the neocortical circuit
Ein selbstlernendes mehrschichtiges Netzwerk des frühen visuellen Systems, inspiriert durch den neocortikalen Schaltkreis
Kurzfassung in deutsch
Das visuelle System des Menschen hat die herausragende Fähigkeit zur invarianten Objekterkennung. Ein besseres Verständnis seiner Arbeitsweise kann zu besseren Computersystemen für das Bildverstehen führen und könnte darüber hinaus unser Verständnis von den zugrundeliegenden Prinzipien unserer Intelligenz verbessern.Diese Arbeit stellt ein Modell der visuellen Areale V1 und V2 vor, welches eine komplexe, von den Strukturen des Neokortex inspirierte, Verbindungsstruktur integriert. Es kombiniert die drei wichtigsten kortikalen Plastizitäten: 1) Hebbsche synaptische Plastizität, um die Stärke der exzitatorischen und inhibitorischen Synapsen zu lernen, welches auch ?trace?-Lernen, zum Lernen invarianter Repräsentationen, umfasst. 2) Intrinsische Plastizität, um das Antwortverhalten der Neuronen zu regulieren und damit das Lernen in tieferen Schichten zu stabilisieren. 3) Strukturelle Plastizität, um die Verbindungen zu modifizieren und damit den Einfluss anfänglicher Festlegungen auf das Lernergebnis zu reduzieren.
Neben weiteren Ergebnissen wird gezeigt, dass die Neuronen des Modells vergleichbare rezeptive Felder zu Neuronen des visuellen Kortex erlernen. Ebenso wird die Leistungsfähigkeit des Modells zur invariante Objekterkennung verifiziert. Des Weiteren wird der Zusammenhang von Gewichtsstärke und Verbindungswahrscheinlichkeit zur Korrelation der Aktivitäten der Neuronen aufgezeigt. Die gefundenen Verbindungswahrscheinlichkeiten der inhibitorischen Neuronen werden in Zusammenhang mit der Funktionsweise der inhibitorischen Plastizität gesetzt, womit erklärt wird warum inhibitorische Verbindungen unspezifisch erscheinen.
Das vorgestellte Modell ist detaillierter als vorangegangene Arbeiten. Es ermöglicht neurowissenschaftliche Erkenntnisse nachzuvollziehen, wobei es ebenso die Hauptleistung des visuellen Systems erbringt, invariante Objekterkennung. Darüber hinaus ermöglichen sein Detailgrad und seine Selbstorganisationsprinzipien weitere neurowissenschaftliche Erkenntnisse und die Modellierung komplexerer Modelle der Verarbeitung im Gehirn.
Kurzfassung in englisch
The ability of the visual system for object recognition is remarkable. A better understanding of its processing would lead to better computer vision systems and could improve our understanding of the underlying principles which produce intelligence.We propose a computational model of the visual areas V1 and V2, implementing a rich connectivity inspired by the neocortical circuit. We combined the three most important cortical plasticity mechanisms. 1) Hebbian synaptic plasticity to learn the synapse strengths of excitatory and inhibitory neurons, including trace learning to learn invariant representations. 2) Intrinsic plasticity to regulate the neurons responses and stabilize the learning in deeper layers. 3) Structural plasticity to modify the connections and to overcome the bias for the learnings from the initial definitions.
Among others, we show that our model neurons learn comparable receptive fields to cortical ones. We verify the invariant object recognition performance of the model. We further show that the developed weight strengths and connection probabilities are related to the response correlations of the neurons. We link the connection probabilities of the inhibitory connections to the underlying plasticity mechanisms and explain why inhibitory connections appear unspecific.
The proposed model is more detailed than previous approaches. It can reproduce neuroscientific findings and fulfills the purpose of the visual system, invariant object recognition.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Künstliche Intelligenz | |
| Fakultät: | Fakultät für Informatik | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Hamker, Fred (Prof. Dr.) | |
| ISBN/ISSN: | 978-3-96100-065-4 | |
| URL/URN: | urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-318327 | |
| Quelle: | 1. Auflage. - Chemnitz : Universitätsverlag der Technischen Universität Chemnitz, 2018. - 226 S. | |
| SWD-Schlagwörter: | Neuronales Netz , Visuelles System , Plastizität , Objekterkennung | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | V1 , V2 , Hebbsches Lernen , anti-Hebbsches Lernen , synaptische Plastizität , intrinsische Plastizität , strukturelle Plastizität , rezeptive Felder | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | Neural Network , V1 , V2 , Hebbian learning , anti-Hebbian learning , synaptic plasticity , intrinsic plasticity , structural plasticity , visual system , receptive fields , object recognition | |
| DDC-Sachgruppe: | Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke, Datenverarbeitung; Informatik, Sinneswahrnehmung, Bewegung, Emotionen, Triebe, Kognitive Prozesse, Intelligenz | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 14.09.2018 |
