ai&bigdata lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и...

50
Спайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы Dmitry Nowicki 1

Upload: geekslab

Post on 17-Jan-2017

104 views

Category:

Technology


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Спайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Dmitry Nowicki

1

Page 2: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Биологический нейрон

2

Page 3: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Нейрон МакКаллока-Питтса(не похож !?)

3

Page 4: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Historical perspective for “brain ingredients”

Key players

1665 – First use of simple microscope to view living cells (Robert Hooke) 1839 –

“Cell theory” (Theodor Schwann) – but is it true for the brain?

1870 – Camilo Golgi develops his silver-based method, for randomly

staining nerve cells

1887 – S. Ramon Y. Cajal uses Golgi technique – proposes the “neuron

doctrine”

1891 – Hienrich Waldeyer – coined the word “Neuron”

1897 - Charles Sherrington coined the word “synapse”

Sigmund Freud drawing crayfish neurons, 1882

Page 5: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Сеть прямого распространения

5

Page 6: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Сеть Хопфилда: простейшаяассоциативная память

6

Работает как

динамическая

система с

аттракторами

Page 7: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Occipital Lobe

Parietal Lob

Frontal Lobe

Temporal Lobe

Our “meat machine” what does it consists of?

Page 8: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Zooming into cortical networksCourtesy of the Blue Brain Team, EPFL

Page 9: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Optical (2-photons) imaging of cortical circuit (anatomy & activity)Courtesy of Adi Mizrahi, Hebrew University

Page 10: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Adi_Green.jpgAdi_Green.jpg

Optical (2-photons) imaging of Hippocampal circuit Courtesy of Adi Mizrahi, Hebrew University

Page 11: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы
Page 12: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Layer 5 neocortical pyramidal cells

Page 13: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1906

in recognition of their work on the structure of the nervous system

Camillo Golgi

(1843-1926)

Santiago Ramón y Cajal

(1852-1934)

Page 14: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы
Page 15: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

S. Ramon Y Cajal

Possible direction of current flow and pattern of axo-dendritic connection

The “Neuron Doctrine” and the“Theory of dynamic polarization”

axondendrites

Dendrites are receptive (input) devices

Axon are the sending (output) devices

Page 16: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Courtesy of Kevan Martin, Univ.

Zurich)

The neocortical (pyramidal) cell

Dendritic tree

Axonal tree + varicosities

Page 17: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

The neuron as an input-output electrical device(conceptual, details will follow)

Excitatory

Inhbitory

Soma

Axon

Dendrites

excitatory

inhibitory

Excitatory post-synaptic

potential (EPSPs)

spikes

Inhibitory post synaptic

potential (IPSPs)

INPUT

OUTPUT

Page 18: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Spiking activity of a neuron

Page 19: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Axons “fire” spikes (carrying the brain code)

Axonal tree sending output - Spikes

Page 20: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Typical morphology of a neuron

soma

dendrites

axon

nodes of

Ranvier

Inter-node

myelin

no myelin

Axon terminals

(pre-synaptic site)

axon initial segment

(AIS)

“HOT” region

generating “spikes”

Poliak & Peles

Nature Reviews Neuroscience 4, 968-980 (December 2003)

Page 21: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

The myelin of axons

Poliak & Peles

Nature Reviews Neuroscience 4, 968-980 (December 2003)

Myelinating glial cells, oligodendrocytes in the central nervous system (CNS) or

Schwann cells in the peripheral nervous system (PNS), form the myelin sheath

by enwrapping their membrane several times around the axon.

0.3 - 4mm

Page 22: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Helen C. Lai and Lily Y. Jan

Nature Reviews Neuroscience 7, 548-562 (July 2006)

The node of Ranvier in axons

Hot (excitable) region

Page 23: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

A typical axon in the central nervous system (CNSsummary

1. A single, highly branched, thin (mm) process emerging from the

soma. Branched locally but may extend far (many centimeters

and even meters) away from the soma

2. At the “hot” axon initial segment (AIS) the spike (“action

potential”) is initiated and then propagates along the axon

3. Covered with myelin (isolating) lipid sheath, with intermittent

small gaps – the nodes of Ranvier (where “hot” – excitable ion

channels reside)

4. Decorated with frequent swellings (axonal boutons) – where the

neurotransmitter “hides” (the pre-synaptic site)

The axon is the output electrical device of neurons,

It generates and carries electrical signals called spikes

Page 24: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Dendrites

Purkinje cell (cerebellum)

(Courtesy of M. Hausser)

Starburst amacrine cell (retina)

(Courtesy of W. Denk)

CA1 Pyramidal cell (hippocampus)

(Courtesy of D. Johnston)

Page 25: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

An example: The layer 5 cortical pyramidal cell(the “psychic” cell by Cajal)

Dendritic spines

Dendrites with spines

Spiny neurons

Typical numbers

Total dendritic area – 20,000 mm2

Number of dendritic spines/cell – 8,000

Spine area – ~1 mm2

Number of converging inputs (synapses/cell) – 10,000

Page 26: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Intracellular injection of Lucifer

Yellow in fixed cortical tissue

Layer II

Layer V

Human pyramidal

neuron from the

neocortex

Spines

spines

20 mm

1 mm

Courtesy of Javier DeFelipe, University Madrid

Page 27: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Neuron types

• Classification by anatomical features (“the face” of dendrites and axons)

• Classification – functional (e.g., Excitatory (principal) vs. Inhibitory (inter)

neurons)

• Classification using electrical/spiking activity pattern

• Classification using chemical characteristics

• Classification using gene expression

Page 28: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Microcircuit of the Neocortex

Z. J. Huang, G. Di Cristo & F. Ango

Nature Reviews Neuroscience 8, 673-686 (September 2007)

Principal neurons

(excitatory) - axon projects

to other brain regions

Interneurons (inhibitory) –

local axonal projection

Page 29: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Morphometric-based classification of (inhibitory) interneurons

DeFelipe et al., Nature Review neuroscience, 2013

Page 30: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Electrically-based neuron classification(based of spiking patterns)

Courtesy of the Blue Brain

data-base

Page 31: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

The Chemical Synapse

A (chemical/electrical) device that connects

axon of neuron A to dendrites of neuron B

Dendrites of

neuron B

Axon of

neuron A(note varicosities)

Page 32: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

A chemical synapseformed between axons and dendrites

Axonal terminal

(pre-synaptic)

Dendritic spine

(post-synaptic)

Synapse

(with gap)

Page 33: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

The chemical synapse

Axon cell A

(small vesicles)

Spine: cell “B”

SPIKE at axon (digital - “all or none)

Excitatory synaptic potential

(analog/graded)

excitatory

synapse

axon

Spiny dendrite

Page 34: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

The Chemical Synapse

When two cells fire togetherthe synapse between them strengthens

Cell ADendrite of Cell BAxon of Cell A

Receptors binding

neurotransmitter

Vesicles containing

neurotransmitter molecules

Page 35: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Chemical synapse

a

E. Lisman, Sridhar Raghavachari & Richard W. Tsien

Nature Reviews Neuroscience 8, 597-609 (August 2007)

Page 36: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Vesicle quantal release

E. Lisman, Sridhar Raghavachari & Richard W. Tsien

Nature Reviews Neuroscience 8, 597-609 (August 2007)

Page 37: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Vesicle quantal release

E. Lisman, Sridhar Raghavachari & Richard W. Tsien

Nature Reviews Neuroscience 8, 597-609 (August 2007)

Page 38: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Vesicle quantal release

E. Lisman, Sridhar Raghavachari & Richard W. Tsien

Nature Reviews Neuroscience 8, 597-609 (August 2007)

Page 39: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

What neurons “see” when embedded in the (cortical) circuit

Page 40: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

L4 Spiny Stellate Cell

covered with (excitatory and inhibotory synapses)

Page 41: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

The neuron as an input-output electrical device(SUMMARY after you’ve been learning)

Excitatory

Inhbitory

Soma

Axon

Dendrites

excitatory

inhibitory

Excitatory post-synaptic

potential (EPSPs)

spikes

Inhibitory post synaptic

potential (IPSPs)

INPUT

OUTPUT

Page 42: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Integrate and Fire

Page 43: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

43

Spike-Time Dependent Plasticity (STPD)

• Spike-Timing Dependent Plasticity (schematic): The STDP function shows the change of synaptic connections as a function of the relative timing of pre- and postsynaptic spikesafter 60 spike pairings.

Page 44: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

44

STPD (Continued)

• Basic STDP Model• The weight change Δwj of a synapse from a presynaptic neuron j depends

on the relative timing between presynaptic spike arrivals and postsynapticspikes. Let us name the presynaptic spike arrival times at synapse j by tfjwhere f=1,2,3,... counts the presynaptic spikes. Similarly, tn with n=1,2,3,... labels the firing times of the postsynaptic neuron. The total weight changeΔwj induced by a stimulation protocol with pairs of pre- and postsynapticspikes is then (Gerstner and al. 1996, Kempter et al. 1999)

• Δwj=∑f=1N∑n=1NW(tni−tfj)(1)• where W(dt)=F(dt) denotes one of the STDP functions (also called learning

window)

• (Song et al. 2000). The parameters A+ and A− may depend onthe current value of the synaptic weight wj . The timeconstants are on the order of τ+=10ms and τ−=10ms

Page 45: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

The STDP can control this robot

Page 46: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Схема сети

Page 47: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Мемристоры, хеббовское обучени

Page 48: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Synaptic transmission

reinforcement

Page 49: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы
Page 50: AI&BigData Lab 2016. Дмитрий Новицкий: cпайковые и бионические нейронные сети: проблемы и перспекитвы

Thank you for attention!

50