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Enregistrement W4416697451 · doi:10.1101/2025.11.23.690009

Direct Training of Networks of Morris-Lecar Neurons with Backprop

2025· preprint· W4416697451 sur OpenAlexafffund
Navid Akbari, K. O. Mason, Aaron J. Gruber, Wilten Nicola

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2025
Typepreprint
Langue
DomaineEngineering
ThématiqueAdvanced Memory and Neural Computing
Établissements canadiensUniversity of Calgary
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of CanadaCanada Research Chairs
Mots-clésSpiking neural networkArtificial neural networkBackpropagationProcess (computing)Feature (linguistics)Function (biology)ReplicateSubnetwork

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Spiking Neural Networks (SNNs) have the potential to replicate the brain’s computational efficacy by explicitly incorporating action potentials or “spikes”, which is not a feature of most artificial neural networks. However, training SNNs is difficult due to the non-differentiable nature of the most common spiking models: integrate-and-fire neurons. This study investigates if some of the difficulty in training SNNs arises from the use of integrate-and-fire neurons, rather than smoother alternatives, like conductance-based neurons. To that end, we considered networks of Morris-Lecar (ML) neurons, a conductance-based neuron model which is differentiable. Networks were built using kinetic synaptic models that smoothly link presynaptic voltage dynamics directly to postsynaptic conductance changes, ensuring that all components remain fully differentiable. Switching to biophysically detailed models of synapses and neurons enabled direct end-to-end training through Backpropagation Through Time (BPTT). Biophysically detailed networks were successfully trained on image classification, regression, and time series prediction tasks. These results demonstrate the feasibility of employing biophysically detailed differentiable point neuron models to create SNNs that function as more accurate paradigms for the study of neural computations and learning. Further, this work confirms that some aspects of the difficulty in translating gradient-based learning algorithms from machine learning may arise from model choice, rather than SNNs being intrinsically difficult to train. 1. Author summary The brain’s information-processing efficiency arises in part from neurons communicating via discrete spikes. Spiking Neural Networks (SNNs) mimic this process at the neuronal level but have been difficult to train as most machine learning algorithms are not directly applicable. Most SNNs use integrate-and-fire neurons, a modelling framework that simplifies spikes into non-differentiable, abrupt voltage changes, which makes them difficult to train with powerful, standard AI training methods that use derivatives to compute gradients (e.g. Backprop). In our work, we asked if this difficulty could be overcome by considering end-to-end differentiable spiking neural networks. We used completely differentiable SNNs using the Morris-Lecar neuron, a biophysically detailed neuron model that produces smooth spikes, along with differentiable kinetic synapses. With the entire network being mathematically differentiable, we found that we could train it directly using standard backpropagation through time on different tasks (regression, classification, and chaotic time series prediction). This work demonstrates that the use of integrate-and-fire models may be limiting applications of machine learning algorithms towards understanding how learning functions in the brain.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,003
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,010
Score d'incertitude au seuil0,020

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,003
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0000,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,016
Tête enseignante GPT0,211
Écart entre enseignants0,195 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2025
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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