时间驱动:神经元¶
本教程作者: fangwei123456
本节教程主要关注 spikingjelly.clock_driven.neuron
,介绍脉冲神经元,和时间驱动的仿真方法。
脉冲神经元模型¶
在 spikingjelly
中,我们约定,只能输出脉冲,即0或1的神经元,都可以称之为“脉冲神经元”。使用脉冲神经元的网络,进而也可以称之为脉冲神经元网络(Spiking Neural Networks)。
spikingjelly.clock_driven.neuron
中定义了各种常见的脉冲神经元模型,我们以 spikingjelly.clock_driven.neuron.LIFNode
为例来介绍脉冲神经元。
首先导入相关的模块:
import torch
import torch.nn as nn
import numpy as np
from spikingjelly.clock_driven import neuron
from spikingjelly import visualizing
from matplotlib import pyplot as plt
新建一个LIF神经元层:
lif = neuron.LIFNode()
LIF神经元层有一些构造参数,在API文档中对这些参数有详细的解释:
tau – 膜电位时间常数。
tau
对于这一层的所有神经元都是共享的v_threshold – 神经元的阈值电压
v_reset – 神经元的重置电压。如果不为
None
,当神经元释放脉冲后,电压会被重置为v_reset
;如果设置为None
,则电压会被减去v_threshold
surrogate_function – 反向传播时用来计算脉冲函数梯度的替代函数
monitor_state – 是否设置监视器来保存神经元的电压和释放的脉冲。若为
True
,则self.monitor
是一个字典,键包括h
,v
s
,分别记录充电后的电压、释放脉冲后的电压、释放的脉冲。对应的值是一个链表。为了节省显存(内存),列表中存入的是原始变量转换为numpy
数组后的值。还需要注意,self.reset()
函数会清空这些链表
其中 surrogate_function
参数,在前向传播时的行为与阶跃函数完全相同;我们暂时不会用到反向传播,因此可以先不关心反向传播。
你可能会好奇这一层神经元的数量是多少。对于 spikingjelly.clock_driven.neuron
中的绝大多数神经元层,神经元的数量是在初始化或调用 reset()
函数重新初始化后,根据第一次接收的输入的 shape
自动决定的。
与RNN中的神经元非常类似,脉冲神经元也是有状态的,或者说是有记忆。脉冲神经元的状态变量,一般是它的膜电位 \(V_{t}\)。因此,spikingjelly.clock_driven.neuron
中的神经元,都有成员变量 v
。可以打印出刚才新建的LIF神经元层的膜电位:
print(lif.v)
# 0.0
可以发现,现在的 v
是 0.0
,因为我们还没有给与它任何输入。我们给与几个不同的输入,观察神经元的电压的 shape
,它与神经元的数量是一致的:
x = torch.rand(size=[2, 3])
lif(x)
print('x.shape', x.shape, 'lif.v.shape', lif.v.shape)
# x.shape torch.Size([2, 3]) lif.v.shape torch.Size([2, 3])
lif.reset()
x = torch.rand(size=[4, 5, 6])
lif(x)
print('x.shape', x.shape, 'lif.v.shape', lif.v.shape)
# x.shape torch.Size([4, 5, 6]) lif.v.shape torch.Size([4, 5, 6])
lif.reset()
那么 \(V_{t}\) 和输入 \(X_{t}\) 的关系是什么样的?在脉冲神经元中,不仅取决于当前时刻的输入 \(X_{t}\),还取决于它在上一个时刻末的膜电位 \(V_{t-1}\)。
通常使用阈下(指的是膜电位不超过阈值电压 V_{threshold}
时)充电微分方程 \(\frac{\mathrm{d}V(t)}{\mathrm{d}t} = f(V(t), X(t))\) 描述连续时间的脉冲神经元的充电过程,例如对于LIF神经元,充电方程为:
其中 \(\tau_{m}\) 是膜电位时间常数,\(V_{reset}\) 是重置电压。对于这样的微分方程,由于 \(X(t)\) 并不是常量,因此难以求出显示的解析解。
spikingjelly.clock_driven.neuron
中的神经元,使用离散的差分方程来近似连续的微分方程。在差分方程的视角下,LIF神经元的充电方程为:
因此可以得到 \(V_{t}\) 的表达式为
可以在 LIFNode
的 neuronal_charge()
中找到对应的代码:
def neuronal_charge(self, dv: torch.Tensor):
if self.v_reset is None:
self.v += (dv - self.v) / self.tau
else:
self.v += (dv - (self.v - self.v_reset)) / self.tau
不同的神经元,充电方程不尽相同。但膜电位超过阈值电压后,释放脉冲,以及释放脉冲后,膜电位的重置都是相同的。因此它们全部继承自 BaseNode
,共享相同的放电、重置方程。可以在 BaseNode
的 neuronal_fire()
中找到释放脉冲的代码:
def neuronal_fire(self):
self.spike = self.surrogate_function(self.v - self.v_threshold)
surrogate_function()
在前向传播时是阶跃函数,只要输入大于或等于0,就会返回1,否则会返回0。我们将这种元素仅为0或1的 tensor
视为脉冲。
释放脉冲消耗了神经元之前积累的电荷,因此膜电位会有一个瞬间的降低,即膜电位的重置。在SNN中,对膜电位重置的实现,有2种方式:
Hard方式:释放脉冲后,膜电位直接被设置成重置电压:\(V = V_{reset}\)
Soft方式:释放脉冲后,膜电位减去阈值电压:\(V = V - V_{threshold}\)
可以发现,对于使用Soft方式的神经元,并不需要重置电压 \(V_{reset}\) 这个变量。spikingjelly.clock_driven.neuron
中的神经元,在构造函数的参数之一 v_reset
,默认为 1.0
,表示神经元使用Hard方式;若设置为 None
,则会使用Soft方式。在 BaseNode
的 neuronal_reset()
中找到膜电位重置的代码:
def neuronal_reset(self):
if self.detach_reset:
spike = self.spike.detach()
else:
spike = self.spike
if self.v_reset is None:
self.v = self.v - spike * self.v_threshold
else:
self.v = (1 - spike) * self.v + spike * self.v_reset
描述离散脉冲神经元的三个方程¶
至此,我们可以用充电、放电、重置,这3个离散方程来描述任意的离散脉冲神经元。充电、放电方程为:
其中 \(\Theta(x)\) 即为构造函数参数中的 surrogate_function()
,是一个阶跃函数:
Hard方式重置方程为:
Soft方式重置方程为:
其中 \(V_{t}\) 是神经元的膜电位;\(X_{t}\) 是外源输入,例如电压增量;为了避免混淆,我们使用 \(H_{t}\) 表示神经元充电后、释放脉冲前的膜电位;\(V_{t}\) 是神经元释放脉冲后的膜电位;\(f(V_{t-1}, X_{t})\) 是神经元的状态更新方程,不同的神经元,区别就在于更新方程不同。
时间驱动的仿真方式¶
spikingjelly.clock_driven
使用时间驱动的方式,对SNN逐步进行仿真。
接下来,我们将逐步给与神经元输入,并查看它的膜电位和输出脉冲。为了记录数据,只需要将神经元层的监视器 monitor
打开:
lif.set_monitor(True)
在打开监视器后,神经元层在运行时,会在字典 self.monitor
中自动记录运行过程中的充电后的膜电位 self.monitor['h']
,释放的脉冲 self.monitor['s']
,和放电后的膜电位 self.monitor['v']
。
现在让我们给与LIF神经元层持续的输入,并画出其放电后的膜电位和输出脉冲:
x = torch.Tensor([2.0])
T = 150
for t in range(T):
lif(x)
visualizing.plot_one_neuron_v_s(lif.monitor['v'], lif.monitor['s'], v_threshold=lif.v_threshold, v_reset=lif.v_reset, dpi=200)
plt.show()
我们给与的输入 shape=[1]
,因此这个LIF神经元层只有1个神经元。它的膜电位和输出脉冲随着时间变化情况如下:
下面我们将神经元层重置,并给与 shape=[32]
的输入,查看这32个神经元的膜电位和输出脉冲:
lif.reset()
x = torch.rand(size=[32]) * 4
T = 50
for t in range(T):
lif(x)
visualizing.plot_2d_heatmap(array=np.asarray(lif.monitor['v']).T, title='Membrane Potentials', xlabel='Simulating Step',
ylabel='Neuron Index', int_x_ticks=True, x_max=T, dpi=200)
visualizing.plot_1d_spikes(spikes=np.asarray(lif.monitor['s']).T, title='Membrane Potentials', xlabel='Simulating Step',
ylabel='Neuron Index', dpi=200)
plt.show()
结果如下: