Le rôle de la balance entre excitation et inhibition dans l'apprentissage dans les réseaux de neurones à spikes

The role of balance between excitation and inhibition in learning in spiking networks

• Auteur / Autrice : Ralph Bourdoukan
• Direction : Sophie Denève
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science du Vivant
• Date : Soutenance le 10/10/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de neurosciences cognitives & computationnelles (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Mehdi Khamassi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudia Clopath, Raoul-Martin Memmesheimer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spike-timing dependent plasticity

Neurostimulation

Mots clés libres

Balance

Réseaux récurrents

Codage neural

Apprentissage

Plasticité

Réseaux à spikes

Balance between excitation and inhibition

Learning in recurrent networks

Spiking networks

Résumé

Lorsqu'on effectue une tâche, les circuits neuronaux doivent représenter et manipuler des stimuli continus à l'aide de potentiels d'action discrets. On suppose communément que les neurones représentent les quantités continues à l'aide de leur fréquence de décharge et ceci indépendamment les un des autres. Cependant, un tel codage indépendant est inefficace puisqu'il exige la génération d'un très grand nombre de potentiels d'action pour atteindre un certain niveau de précision. Dans ces travaux, on montre que les neurones d'un réseau récurrent peuvent apprendre - à l'aide d'une règle de plasticité locale - à coordonner leurs potentiels d'actions afin de représenter l'information avec une très haute précision tout en déchargeant de façon minimale. La règle d'apprentissage qui agit sur les connexions récurrentes, conduit à un codage efficace en imposant au niveau de chaque neurone un équilibre précis entre excitation et inhibition. Cet équilibre est un phénomène fréquemment observer dans le cerveau et c'est un principe central de notre théorie. On dérive également deux autres règles d'apprentissages biologiquement plausibles qui permettent respectivement au réseau de s'adapter aux statistiques de ses entrées et d'effectuer des transformations complexes et dynamiques sur elles. Finalement, dans ces réseaux, le stochasticité du temps de décharge d'un neurone n'est pas la signature d'un bruit mais au contraire de précision et d'efficacité. Le caractère aléatoire du temps de décharge résulte de la dégénérescence de la représentation. Ceci constitue donc une interprétation radicalement différente et nouvelle de l'irrégularité trouvée dans des trains de potentiels d'actions.

When performing a task, neural circuits must represent and manipulate continuous stimuli using discrete action potentials. It is commonly assumed that neurons represent continuous quantities with their firing rate and this independently from one another. However, such independent coding is very inefficient because it requires the generation of a large number of action potentials in order to achieve a certain level of accuracy. We show that neurons in a spiking recurrent network can learn - using a local plasticity rule - to coordinate their action potentials in order to represent information with high accuracy while discharging minimally. The learning rule that acts on recurrent connections leads to such an efficient coding by imposing a precise balance between excitation and inhibition at the level of each neuron. This balance is a frequently observed phenomenon in the brain and is central in our work. We also derive two biologically plausible learning rules that respectively allows the network to adapt to the statistics of its inputs and to perform complex and dynamic transformations on them. Finally, in these networks, the stochasticity of the spike timing is not a signature of noise but rather of precision and efficiency. In fact, the random nature of the spike times results from the degeneracy of the representation. This constitutes a new and a radically different interpretation of the irregularity found in spike trains.