Multi-layer unsupervised learning in a spiking convolutional neural network

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作者
Amirhossein Tavanaei,Anthony S. Maida
标识
DOI:10.1109/ijcnn.2017.7966099
摘要

Spiking neural networks (SNNs) have advantages over traditional, non-spiking networks with respect to biorealism, potential for low-power hardware implementations, and theoretical computing power. However, in practice, spiking networks with multi-layer learning have proven difficult to train. This paper explores a novel, bio-inspired spiking convolutional neural network (CNN) that is trained in a greedy, layer-wise fashion. The spiking CNN consists of a convolutional/pooling layer followed by a feature discovery layer, both of which undergo bio-inspired learning. Kernels for the convolutional layer are trained using a sparse, spiking auto-encoder representing primary visual features. The feature discovery layer uses a probabilistic spike-timing-dependent plasticity (STDP) learning rule. This layer represents complex visual features using WTA-thresholded, leaky, integrate-and-fire (LIF) neurons. The new model is evaluated on the MNIST digit dataset using clean and noisy images. Intermediate results show that the convolutional layer is stack-admissible, enabling it to support a multi-layer learning architecture. The recognition performance for clean images is above 98%. This performance is accounted for by the independent and informative visual features extracted in a hierarchy of convolutional and feature discovery layers. The performance loss for recognizing the noisy images is in the range 0.1% to 8.5%. This level of performance loss indicates that the network is robust to additive noise.
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