ダイナミカルなニューラルネットワークとそのハードウェア実装に関する研究

• Project/Area Number: 14780260
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Intelligent informatics
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 金丸 隆志 国立大学法人東京農工大学, 大学院・共生科学技術研究部, 助手 (10334468)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥3,800,000 (Direct Cost: ¥3,800,000); Fiscal Year 2004: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2003: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2002: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: パルスニューラルネットワーク / デジタル回路 / FPGA / 動的なニューラルネットワーク / カオス / 振動 / 同期

Research Abstract

本研究は生体の脳内で実験的に観察されている振動・同期・カオス現象に着目し、それらを「ダイナミカルな振舞いを見せるニューラルネットワーク」というキーワードでモデル化し、理解することを目的にし、さらにそのデジタル・ハードウェア化を視野に入れた研究を行っている。
「モデル化」に関してはパルスニューラルネット系の振動・同期現象に着目して理論モデルによって解析を行なった。これは、振動・同期現象が脳内の情報統合メカニズムに関わっているのではないかと考えられていることに基づいている。パルスニューラルネットの簡易モデルとしてはactive rotatorとclass 1 canonical modelの二つを用いた。どちらも一次元の位相モデルであり、ほぼ等しい振舞いをみせる。これらのモデルは、その確率的な振舞いを記述するFokker-Planck方程式が簡単に数値積分できるという長所があるため、ノイズ下の振舞いを分岐理論に基づいて詳細に解析することができる。これは従来のモデル(Leaky Integrate and Fireなど)では実現されなかったことである。その結果、class 1ニューロンの結合系において振動・同期が起こる条件が明らかになり、さらにカオス同期も観測することができた。特に、カオス同期が簡単に実現されるという事実は、現実の脳において動的なダイナミクスが広く見られるということを示唆しており、今後の生理実験研究の進展が期待される。
一方、「デジタル・ハードウェア化」においては、FPGAを3つ搭載したPCIボードが完成し、そのボード上のFPGAに対し「連想記憶モデル」、「三層ニューラルネットワーク」などといった良く知られたニューラルネットモデルをパルスニューロンを用いて設計・実装した。三層ニューラルネットにおいては画像に対してパターン認識を行なうネットワークを実現し、その応用可能性を示した。

Research Products

• [Journal Article] Hardware object model and its application to the image processing (2004)
  • Author(s): Kenji Kudo, Yoshihiro Myokan, Winh Chan Than, Shinji Akimoto, Takashi Kanamaru, Masatoshi Sekine
  • Journal Title: IEICE Transactions on Fundamentals vol.E87-A・no.3 Pages: 547-558
  • NAID: 110003212929
• [Journal Article] An analysis of globally connected active rotators with excitatory and inhibitory connections having different time constants using the nonlinear Fokker-Planck equations (2004)
  • Author(s): Takashi Kanamaru, Masatoshi Sekine
  • Journal Title: IEEE Transactions on Neural Networks vol.15・issue 5 Pages: 1009-1017
• [Journal Article] Analysis of globally connected active rotators with excitatory and inhibitory connections using the Fokker-Planck equation (2003)
  • Author(s): Takashi Kanamaru, Masatoshi Sekine
  • Journal Title: Physical Review E vol.67 Pages: 31916-31916
• [Journal Article] Array-enhanced coherence resonance in the diffusively coupled active rotators and its analysis with the nonlinear Fokker-Planck equation (2003)
  • Author(s): Takashi Kanamaru, Masatoshi Sekine
  • Journal Title: IEICE Transactions on Fundamentals vol.E86-A・no.9 Pages: 2197-2202
  • NAID: 110003212694
• [Publications] 金丸隆志 他: "Array-enhanced coherence resonance in the diffusively coupled active rotators and its analysis with the nonlinear Fokker-Planck equation"IEICE Transactions on Fundamentals. vol.E86-A, no.9. 2197-2202 (2003)
• [Publications] 金丸隆志 他: "Analysis of globally connected active rotators with excitatory and inhibitory connections using the Fokker-Planck equation"Physical Review E. Vol.67. 031916 (2003)
• [Publications] 金丸隆志 他: "class 1 ニューロンからなるネットワークのcanonical modelが見せる振動・同期現象"日本物理学会講演概要集. 第59巻第1号. 280 (2004)
• [Publications] 金丸隆志 他: "class 1 ニューラルネットワークのcanonical modelが見せる振動・同期現象"電子情報通信学会研究技術報告. Vol.103,No.732. 17-22 (2004)
• [Publications] 金丸隆志 他: "パルスニューラルネットワークが見せる同期振動の相互作用形態依存性"日本神経回路学会 第13回全国大会 講演論文概要集. 66-67 (2003)
• [Publications] 茂野聡登志 他: "Sw・Hw混載システムを用いたパルスニューラルネットワークのハードウェア化"電子情報通信学会研究技術報告. Vol.103, No.732. 135-140 (2004)
• [Publications] 金丸隆志, 関根優年: "異なる時定数を持つ興奮性/抑制性集団からなるactive rotator結合系における振動・同期・カオス"電子情報通信学会研究技術報告. Vol.102, No.729. 71-76 (2003)
• [Publications] Takashi Kanamaru, Masatoshi Sekine: "Analysis of globally connected active rotators with excitatory and inhibitory connections using the Fokker-Planck equation"Physical Review E. Vol.67, No.3(採択済み). (2003)