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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2012.tde-05092012-165022
Documento
Autor
Nome completo
Humberto Rodrigo Sandmann
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2012
Orientador
Banca examinadora
Del Moral Hernandez, Emilio (Presidente)
Kogler Júnior, João Eduardo
Liang, Zhao
Macau, Elbert Einstein Nehrer
Orsatti, Fernando Moya
Título em português
Padrões de pulsos e computação em redes neurais com dinâmica.
Palavras-chave em português
Osciladores
Reconhecimento de padrões
Redes complexas
Redes neurais
Sistemas dinâmicos
Resumo em português
O processamento de sinais feito pelos sistemas neurais biológicos é altamente eficiente e complexo, por isso desperta grande atenção de pesquisa. Basicamente, todo o processamento de sinais funciona com base em redes de neurônios que emitem e recebem pulsos. Portanto, de forma geral, os estímulos recebidos do sistema sensorial por uma rede neural biológica de algum modo são convertidos em trens de pulsos. Aqui, nesta tese, é apresentada uma nova arquitetura composta por duas camadas: a primeira recebe correntes de estímulos de entrada e os mapeia em trens de pulsos; a segunda recebe esses trens de pulsos e os clássica em conjuntos de estímulos. Na primeira camada, a conversão de correntes de estímulos em trens de pulso é feita através de uma rede de neurônios osciladores acoplados por pulso. Esses neurônios possuem uma frequência natural de disparo e quando são agrupados em redes podem se coordenar para apresentar uma dinâmica global a longo prazo. Por sua vez, a dinâmica global também é sensível às correntes de entrada. Na segunda camada, a classificação dos trens de pulsos em conjuntos de estímulos é implementada por um neurônio do tipo integra-e-dispara. O comportamento típico para esse neurônio é de disparar ao menos uma vez para todas as integrações de trens de pulsos de uma determinada classe; caso contrário, ele deve car em silêncio. O processo de aprendizado da segunda camada depende do conhecimento do intervalo de tempo de repetição de um trem de pulsos. Portanto, nesta tese, são apresentadas métricas para definir tal intervalo de tempo, dando, assim, autonomia para a arquitetura. É possível concluir com base nos ensaios realizados que a arquitetura desenvolvida possui uma grande capacidade para mapeamento de correntes de entradas em trens de pulsos sem a necessidade de alterações na estrutura da arquitetura; também que a adição da dimensão tempo pela primeira camada ajuda na classificação realizada pela segunda. Assim, um novo modelo para realizar processos de codificação e decodificação é apresentado, desenvolvido através de séries de ensaios computacionais e caracterizado por medidas de sua dinâmica.
Título em inglês
Spike patterns and computation in dynamical neural networks.
Palavras-chave em inglês
Bio-inspired pattern recognition
Dynamical neural networks
Pulse-coupled oscillators
Resumo em inglês
The signal processing done by the neural systems is highly efficient and complex, so that it attracts a large attention for research. Basically, all the signal processing functions are based on networks of neurons that send and receive spikes. Therefore, in general, the stimuli received from the sensory system by a biological neural network somehow are converted into spike trains. Here, in this thesis, we present a new architecture composed of two layers: the first layer receives streams of input stimuli and maps them on spike trains; the second layer receives these spike trains and classifies them in a sets of stimuli. In the first layer, the conversion of currents of stimuli on spike trains is made by a pulse-coupled neural network. Neurons in this context are like oscillators and have a natural frequency to shoot; when they are grouped into networks, they can be coordinated to present a global long-term dynamics. In turn, this global dynamics is also sensible to the input currents. In the second layer, the classification of spike trains in sets of stimuli is implemented by an integrate-and-re neuron. The typical behavior for this neuron is to shoot at least once every time that it receives a known spike train; otherwise, it should be in silence. The learning process of the second layer depends on the knowledge of the time interval of repetition of a spike train. Therefore, in this thesis, metrics are presented to define this time interval, thus giving autonomy to the architecture. It can be concluded on the basis of the tests developed that the architecture has a large capacity for mapping input currents on spike trains without requiring changes in its structure; moreover, the addition of the time dimension done by the first layer helps in the classification performed by the second layer. Thus, a new model to perform the encoding and decoding processes is presented, developed through a series of computational experiments and characterized by measurements of its dynamics.
 
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Data de Publicação
2012-09-10
 
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