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脉冲神经网络:模型、学习算法与应用 被引量:20
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作者 程龙 刘洋 《控制与决策》 EI CSCD 北大核心 2018年第5期923-937,共15页
脉冲神经网络是目前最具有生物解释性的人工神经网络,是类脑智能领域的核心组成部分.首先介绍各类常用的脉冲神经元模型以及前馈和循环型脉冲神经网络结构;然后介绍脉冲神经网络的时间编码方式,在此基础上,系统地介绍脉冲神经网络的学... 脉冲神经网络是目前最具有生物解释性的人工神经网络,是类脑智能领域的核心组成部分.首先介绍各类常用的脉冲神经元模型以及前馈和循环型脉冲神经网络结构;然后介绍脉冲神经网络的时间编码方式,在此基础上,系统地介绍脉冲神经网络的学习算法,包括无监督学习和监督学习算法,其中监督学习算法按照梯度下降算法、结合STDP规则的算法和基于脉冲序列卷积核的算法3大类别分别展开详细介绍和总结;接着列举脉冲神经网络在控制领域、模式识别领域和类脑智能研究领域的应用,并在此基础上介绍各国脑计划中,脉冲神经网络与神经形态处理器相结合的案例;最后分析脉冲神经网络目前所存在的困难和挑战. 展开更多
关键词 脉冲神经网络 脉冲神经元模型 学习算法 STDP规则 类脑智能 神经形态处理器
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类脑脉冲神经网络及其神经形态芯片研究综述 被引量:6
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作者 张慧港 徐桂芝 +1 位作者 郭嘉荣(综述) 郭磊(审校) 《生物医学工程学杂志》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期986-994,1002,共10页
在类脑人工智能高速发展、电磁环境日益复杂的现状下,最具有仿生特性和抗干扰性的脉冲神经网络在计算速度、实时信息处理、时空数据处理上表现出巨大的潜能。脉冲神经网络是类脑人工智能的核心之一,通过模拟生物体神经网络结构和信息传... 在类脑人工智能高速发展、电磁环境日益复杂的现状下,最具有仿生特性和抗干扰性的脉冲神经网络在计算速度、实时信息处理、时空数据处理上表现出巨大的潜能。脉冲神经网络是类脑人工智能的核心之一,通过模拟生物体神经网络结构和信息传递方式来实现类脑计算。本文首先总结五种神经元模型的优缺点和适用性,分析五种网络拓扑结构的特征;其次综述脉冲神经网络算法,从无监督学习和有监督学习两个角度总结基于突触可塑性规则的无监督学习算法和四类监督学习算法;最后重点综述国内外在研的类脑神经形态芯片。本文旨在通过系统性的总结,为初入脉冲神经网络研究领域的同行提供学习思路和研究方向。 展开更多
关键词 脉冲神经网络 脉冲神经元模型 学习算法 类脑神经形态芯片 数字电路
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面向图像识别的多层脉冲神经网络学习算法综述 被引量:2
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作者 李雅馨 申江荣 徐齐 《中国图象图形学报》 CSCD 北大核心 2023年第2期385-400,共16页
相较于第1代和第2代神经网络,第3代神经网络的脉冲神经网络是一种更加接近于生物神经网络的模型,因此更具有生物可解释性和低功耗性。基于脉冲神经元模型,脉冲神经网络可以通过脉冲信号的形式模拟生物信号在神经网络中的传播,通过脉冲... 相较于第1代和第2代神经网络,第3代神经网络的脉冲神经网络是一种更加接近于生物神经网络的模型,因此更具有生物可解释性和低功耗性。基于脉冲神经元模型,脉冲神经网络可以通过脉冲信号的形式模拟生物信号在神经网络中的传播,通过脉冲神经元的膜电位变化来发放脉冲序列,脉冲序列通过时空联合表达不仅传递了空间信息还传递了时间信息。当前面向模式识别任务的脉冲神经网络模型性能还不及深度学习,其中一个重要原因在于脉冲神经网络的学习方法不成熟,深度学习中神经网络的人工神经元是基于实数形式的输出,这使得其可以使用全局性的反向传播算法对深度神经网络的参数进行训练,脉冲序列是二值性的离散输出,这直接导致对脉冲神经网络的训练存在一定困难,如何对脉冲神经网络进行高效训练是一个具有挑战的研究问题。本文首先总结了脉冲神经网络研究领域中的相关学习算法,然后对其中主要的方法:直接监督学习、无监督学习的算法以及ANN2SNN的转换算法进行分析介绍,并对其中代表性的工作进行对比分析,最后基于对当前主流方法的总结,对未来更高效、更仿生的脉冲神经网络参数学习方法进行展望。 展开更多
关键词 脉冲神经网络(SNN) 学习算法 无监督学习 监督学习 脉冲神经元模型 图像识别
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大规模类脑神经网络理论与方法 被引量:1
4
作者 马征宇 田永鸿 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第35期4764-4781,共18页
脑启发的脉冲神经网络被称为第三代人工神经网络,通过模拟神经动力学、事件驱动等计算特性捕捉时序信息和节能高效地进行计算,为人工智能领域的发展提供了新范式.大脑惊人的信息处理能力很大程度上归功于其庞大的网络规模和复杂的网络连... 脑启发的脉冲神经网络被称为第三代人工神经网络,通过模拟神经动力学、事件驱动等计算特性捕捉时序信息和节能高效地进行计算,为人工智能领域的发展提供了新范式.大脑惊人的信息处理能力很大程度上归功于其庞大的网络规模和复杂的网络连接.构建大规模类脑神经网络为脑启发式的人工智能、神经形态计算以及多应用领域带来了突破性的进展.本文首先根据现有的研究,分类介绍了脉冲神经元模型、大规模脉冲神经网络模型与算法、深度训练框架和神经形态芯片等3个方面的计算原理和最新的研究进展,指出了目前大规模类脑神经网络研究的进展和存在的问题,随后重点论述了大规模类脑网络的神经形态视觉应用,包括神经形态视觉重构、极端场景目标检测等.最后,在总结已有研究成果的基础上,对该领域的研究现状给出了若干结论,同时指出了仍然存在的一些问题,并对未来研究的需求、期待与发展趋势进行了展望. 展开更多
关键词 大规模脉冲神经网络 脉冲神经元 神经形态芯片 深度训练框架 神经形态传感器
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Bio-inspired Tactile FA-I Spiking Generation under Sinusoidal Stimuli 被引量:1
5
作者 Zhengkun Yi Yilei Zhang 《Journal of Bionic Engineering》 SCIE EI CSCD 2016年第4期612-621,共10页
For the design and development of advanced prosthetic limbs, many attempts have been made to restore the function of mechanoreceptors using artificial tactile sensors. Mechanoreceptors in human skin, which make dexter... For the design and development of advanced prosthetic limbs, many attempts have been made to restore the function of mechanoreceptors using artificial tactile sensors. Mechanoreceptors in human skin, which make dexterous manipulation pos- sible, respond to the mechanical stimuli in the form of spike trains. In this paper, a bin-inspired approach to replicate the Fast Adapting type I (FA-I) mechanoreceptor is developed, where piezoelectric materials, such as polyvinylidene difluoride (PVDF) films, are used to generate continuous analog electrical signals; then the analog signals are successfully converted into spike trains using the spiking neuron model. By comparing with spike trains measured from the glabrous skin of macaque monkeys, it was found that this approach can mimic FA-I afferent spiking activities in terms of both the average inter-spike interval and the first spike latency. Spike features of the FA-I mechanoreceptors, such as the variability, frequency dependent responses, and population activity, were also explored, which may play a vital role in the understanding of the functionality of FA-I mech- anoreceptors and the development of advanced prosthetic limbs. 展开更多
关键词 bio-inspired tactile sensor FA-I mechanoreceptor spiking neuron model inter-spike interval first spike latency
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θ相移在单次学习过程中促进神经网络对空间位置顺序记忆的研究 被引量:2
6
作者 沈恩华 王如彬 张志康 《动力学与控制学报》 2009年第2期183-187,共5页
θ相移是在大鼠海马中发现的位置细胞放电的特殊模式。随着大鼠在某个位置场中行进,相应位置细胞发放脉冲的相位(相对于局部电位中的θ节律)会逐渐提前。一些学者认为,该现象可以将大鼠在运动中所经过的一系列位置场的顺序编码成时间上... θ相移是在大鼠海马中发现的位置细胞放电的特殊模式。随着大鼠在某个位置场中行进,相应位置细胞发放脉冲的相位(相对于局部电位中的θ节律)会逐渐提前。一些学者认为,该现象可以将大鼠在运动中所经过的一系列位置场的顺序编码成时间上压缩,并且多次重复出现的脉冲模式,因此可以促进大鼠对其在运动中经过的空间位置的顺序的记忆。本文建立了一个模型,对该现象进行了研究。首先,本文建立了能够产生θ相移现象的单个海马神经元模型。这一模型建立在HarrisKD等及MageeJC的电生理实验研究的基础上,根据神经元真实的生理特性来建模。并且以整合与发放的脉冲神经元模型取代H-H模型,大大简化了计算量。而模拟结果又能较好的重现实验中真实神经元的表现。为了研究θ相移对空间位置顺序记忆的作用,在单神经元模型的基础上,又建立了一个基于STDP的学习型神经网络。通过对网络的研究发现,空间位置顺序的信息在模拟中只要输入一次,就可以使该网络对这一顺序形成一定程度的记忆,并且有一定的比率能达到很高的准确率。而如果在单神经元模型中去除θ相移功能,则在单次学习过程中,根本无法形成对空间位置顺序的记忆,代表各个空间位置的神经元几乎同时发放,基本上不能代表顺序信息。 展开更多
关键词 θ相移 脉冲神经元模型 脉冲时间相关的突触可塑性 顺序记忆
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Modeling Neuromorphic Persistent Firing Networks
7
作者 Ning Ning Guoqi Li +5 位作者 Wei He Kejie Huang Li Pan Kiruthika Ramanathan Rong Zhao Luping Shi 《International Journal of Intelligence Science》 2015年第2期89-101,共13页
Neurons are believed to be the brain computational engines of the brain. A recent discovery in neurophysiology reveals that interneurons can slowly integrate spiking, share the output across a coupled network of axons... Neurons are believed to be the brain computational engines of the brain. A recent discovery in neurophysiology reveals that interneurons can slowly integrate spiking, share the output across a coupled network of axons and respond with persistent firing even in the absence of input to the soma or dendrites, which has not been understood and could be very important for exploring the mechanism of human cognition. The conventional models are incapable of simulating the important newly-discovered phenomenon of persistent firing induced by axonal slow integration. In this paper, we propose a computationally efficient model of neurons through modeling the axon as a slow leaky integrator, which captures almost all-known neural behaviors. The model controls the switching of axonal firing dynamics between passive conduction mode and persistent firing mode. The interplay between the axonal integrated potential and its multiple thresholds in axon precisely determines the persistent firing dynamics of neurons. We also present a persistent firing polychronous spiking network which exhibits asynchronous dynamics indicating that this computationally efficient model is not only bio-plausible, but also suitable for large scale spiking network simulations. The implications of this network and the analog circuit design for exploring the relationship between working memory and persistent firing enable developing a spiking network-based memory and bio-inspired computer systems. 展开更多
关键词 neuron model Neuromorphic PERSISTENT FIRING SLOW Integration spiking Network Working Memory
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Izhikevich神经脉冲发放模型的FPGA硬件实现方法 被引量:1
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作者 杜琳 林花 王连明 《东北师大学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2019年第4期87-92,共6页
首先将该神经元模型模块化,然后利用VHDL语言对各个模块进行硬件描述,最后在FPGA中硬件实现了20种神经元的脉冲发放模式,为多种脉冲神经网络的硬件实现提供了参考.
关键词 生物神经元 脉冲发放模式 Izhikevich神经元模型 FPGA
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基于梯度下降的脉冲神经网络训练算法
9
作者 徐梦遥 《现代计算机》 2021年第35期1-11,共11页
脉冲神经网络(SNN)作为第三代神经网络受到广泛关注,但因离散时间脉冲信号和神经元机制,缺乏有效的训练算法。本文设计了适用于梯度下降的拟脉冲激活函数和脉冲神经元迭代计算模型,以及用于数据转换处理的编码与解码层,在此基础上提出... 脉冲神经网络(SNN)作为第三代神经网络受到广泛关注,但因离散时间脉冲信号和神经元机制,缺乏有效的训练算法。本文设计了适用于梯度下降的拟脉冲激活函数和脉冲神经元迭代计算模型,以及用于数据转换处理的编码与解码层,在此基础上提出了一种适用于大型SNN的训练算法。与其他训练算法对比,该算法达到了更高的准确性,在MNIST和CIFAR10数据集上分别达到98.81%和70.78%的准确率,与ANN相比分别减少了22.18%和25.61%的功耗,脉冲序列的时间长度最大下降了750倍。 展开更多
关键词 脉冲神经网络 脉冲神经元模型 反向传播 梯度下降训练
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基于梯度下降的脉冲神经元在线学习方法 被引量:6
10
作者 徐彦 《计算机工程》 CAS CSCD 北大核心 2015年第12期150-155,160,共7页
现有基于梯度下降的脉冲神经元脉冲序列学习方法采用离线学习方式,即神经元运行结束后再根据全部输出脉冲调整突触权值。基于真实生物神经元突触强度的在线调整机制,提出一种在线方式的基于梯度下降的脉冲序列学习方法。在神经元运行过... 现有基于梯度下降的脉冲神经元脉冲序列学习方法采用离线学习方式,即神经元运行结束后再根据全部输出脉冲调整突触权值。基于真实生物神经元突触强度的在线调整机制,提出一种在线方式的基于梯度下降的脉冲序列学习方法。在神经元运行过程中,当有脉冲激发时,即刻根据实际与期望输出脉冲调整突触权值。实验结果表明,该方法可有效实现脉冲序列学习,与离线的基于梯度下降的方法相比,具有更高的学习精度。 展开更多
关键词 脉冲神经元 梯度下降 在线学习 脉冲序列学习 脉冲反应神经元模型
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基于自适应编码的脉冲神经网络 被引量:5
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作者 张驰 唐凤珍 《计算机应用研究》 CSCD 北大核心 2022年第2期593-597,共5页
脉冲神经网络(SNN)采用脉冲序列表征和传递信息,与传统人工神经网络相比更具有生物可解释性,但典型SNN的特征提取能力受到其结构限制,对于图像数据等多分类任务的识别准确率不高,不能与卷积神经网络相媲美。为此提出一种新型的自适应编... 脉冲神经网络(SNN)采用脉冲序列表征和传递信息,与传统人工神经网络相比更具有生物可解释性,但典型SNN的特征提取能力受到其结构限制,对于图像数据等多分类任务的识别准确率不高,不能与卷积神经网络相媲美。为此提出一种新型的自适应编码脉冲神经网络(SCSNN),将CNN的特征提取能力与SNN的生物可解释性结合起来,采用生物神经元动态脉冲触发特性构建网络结构,并设计了一种新的替代梯度反向传播方法直接训练网络参数。所提出的SCSNN分别在MNIST和Fashion-MNIST数据集进行验证,取得较好的识别结果,在MNIST数据集上准确率达到了99.62%,在Fashion-MNIST数据集上准确率达到了93.52%,验证了其有效性。 展开更多
关键词 脉冲神经网络 自适应编码 替代梯度反向传播 漏电积分发放神经元模型
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基于FPGA的类脑神经元仿生电路设计与实现 被引量:1
12
作者 徐桂芝 郭嘉荣 +1 位作者 张慧港 郭磊 《电机与控制学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第2期61-68,共8页
随着现代社会进入信息化与智能化时代,神经形态计算以高度的并行、极低的功耗和存算一体的特征受到了广泛的关注。本文着眼于未来神经形态器件和类脑智能的发展需求,对建立全数字电路的类脑计算硬件系统展开研究,以脉冲神经网络H-H(Hodg... 随着现代社会进入信息化与智能化时代,神经形态计算以高度的并行、极低的功耗和存算一体的特征受到了广泛的关注。本文着眼于未来神经形态器件和类脑智能的发展需求,对建立全数字电路的类脑计算硬件系统展开研究,以脉冲神经网络H-H(Hodgkin-Huxley)神经元模型为研究对象,将DSP Builder平台与Quartus平台相结合,设计出H-H神经元模型的数字电路,并对其进行了性能测试。结果表明,基于现场可编程门阵列(FPGA)硬件设计的神经元数字电路其工作特性与理论仿真结果高度一致,具有良好的生物特性,为建立类脑计算硬件系统提供新思路。 展开更多
关键词 类脑计算 脉冲神经网络 现场可编程门阵列 Quartus H-H神经元模型 DSP Builder
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基于FPGA的移动机器人SNNs走廊场景分类器
13
作者 王睿轶 王秀青 +2 位作者 刘万明 王永吉 叶晓雅 《计算机技术与发展》 2023年第12期32-40,共9页
神经形态芯片是类脑计算的重要研究内容之一,神经网络的硬件实现是神经形态芯片实现的基础。具有生物似真性的脉冲神经网络(Spiking Neural Networks, SNNs),通过尖脉冲(Spikes)传递时空信息,更适于用硬件实现,是实现类脑计算的主要工... 神经形态芯片是类脑计算的重要研究内容之一,神经网络的硬件实现是神经形态芯片实现的基础。具有生物似真性的脉冲神经网络(Spiking Neural Networks, SNNs),通过尖脉冲(Spikes)传递时空信息,更适于用硬件实现,是实现类脑计算的主要工具之一。该文提出一种基于FPGA的移动机器人SNNs走廊场景分类器:将移动机器人超声传感器信息进行脉冲编码后输入到SNNs走廊场景分类器中,通过FPGA分类器的脉冲输出模式来判断机器人所处的走廊场景,从而提高机器人的环境感知能力和自主性。详细讨论了脉冲积分点火神经元模型的FPGA实现原理,以及基于此神经元模型的SNNs走廊场景分类器的硬件实现方案,仿真及实验结果证明了所提基于FPGA的移动机器人SNNs走廊场景分类器的有效性。所提走廊场景分类器不受光照条件的影响,需要的传感器测量信息少,FPGA硬件资源占有率低(LE的利用率仅10%),分类速度快、准确率高,适于实际应用。该研究不仅可以提高移动机器人的环境感知能力和自主性,而且为硬件实现SNNs提供了有益参考。 展开更多
关键词 脉冲神经网络 积分点火神经元模型 脉冲编码 现场可编程门阵列 移动机器人 超声传感器
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兴奋性化学突触耦合的神经元的同步 被引量:20
14
作者 王青云 陆启韶 《动力学与控制学报》 2008年第1期35-39,共5页
基于动力系统的稳定性理论、数值计算分岔图和线性化系统的最大Lyapunov指数,研究了经兴奋性化学耦合的快峰神经元的同步动力学.研究表明,随着一些关键参数的改变,耦合神经元能呈现丰富的同步行为,如各种周期的同步和混沌的同步.研究结... 基于动力系统的稳定性理论、数值计算分岔图和线性化系统的最大Lyapunov指数,研究了经兴奋性化学耦合的快峰神经元的同步动力学.研究表明,随着一些关键参数的改变,耦合神经元能呈现丰富的同步行为,如各种周期的同步和混沌的同步.研究结果对理解神经元系统的同步运动具有指导意义. 展开更多
关键词 快峰神经元模型 兴奋性化学突触 同步
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交流电场下神经元适应性的两种放电机制对比分析 被引量:3
15
作者 袁春华 王江 《东北大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第9期1229-1233,共5页
研究了两种神经元模型放电频率适应性的机制,对比分析了不同机制之间的差异,基于线性积分放电(LIF)神经元模型,建立了在交流外电场作用下LIFAC和LIFDT两种改进的LIF适应性模型.通过分析不同机制模型的初始和稳态放电频率曲线,发现LIFAC... 研究了两种神经元模型放电频率适应性的机制,对比分析了不同机制之间的差异,基于线性积分放电(LIF)神经元模型,建立了在交流外电场作用下LIFAC和LIFDT两种改进的LIF适应性模型.通过分析不同机制模型的初始和稳态放电频率曲线,发现LIFAC机制的放电频率曲线向高输入方向水平右移,且保持斜率不变,LIFDT机制的放电频率曲线呈发散状,斜率递减.在固定频率的交流外电场作用下,稳态放电频率曲线呈线性.另外通过对噪声下放电峰峰间期的相关性和变异性分析,进一步阐明外电场对不同机制适应性的影响. 展开更多
关键词 放电频率适应性 交流外电场 积分效电神经元模型 LIFAC和LIFDT放电机制 相关性
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