第三十二课.脉冲神经网络SNN_脉冲神经网络事件驱动

时间驱动与事件驱动

时间驱动

为了便于理解时间驱动，我们可以将SNN（spiking neuron network）看作是一种RNN，它的输入是电压增量（电流与膜电阻的乘积），隐藏状态是膜电压，输出是脉冲。这样的SNN神经元具有马尔可夫性：当前时刻的输出只与当前时刻的输入，神经元自身的状态有关。

可以用充电，放电，重置3个方程描述脉冲神经元：$$H(t)=f(V(t-1),X(t))$$$$S(t)=g(H(t)-V_{threshold})=\Theta (H(t)-V_{threshold})$$$$V(t)=H(t)\cdot (1-S(t))+V_{reset}\cdot S(t)$$其中，$V(t)$是神经元的膜电压，$X(t)$是外源输入，即电压增量，$H(t)$是神经元的隐藏状态，可以理解为神经元还没有发脉冲前的瞬间，$f(V(t-1),X(t))$是神经元的状态更新方程，不同的神经元，区别在于更新方程不同。

对于LIF神经元，其动作的微分方程和近似差分方程分别为：$${\tau }_m\frac{dV(t)}{dt}=-(V(t)-V_{reset})+X(t)$$$${\tau }_m(V(t)-V(t-1))=-(V(t-1)-V_{reset})+X(t)$$因此，对应的充电（状态更新）方程为：$$f(V(t-1),X(t))=V(t-1)+\frac{1}{{\tau }_m}(-(V(t-1)-V_{reset})+X(t))$$放电方程中的$S(t)$是神经元发放的脉冲，$g(x)=\Theta (x)$是阶跃函数，也被称为脉冲函数，脉冲函数的输出仅为0或1。

重置表示电压重置过程：发放脉冲，则电压重置为$V_{reset}$；如果没有发放脉冲，则电压不变。

注意到，在RNN中，使用了可微分的激活函数，例如tanh。但SNN中对应的脉冲函数$g(x)$是不可微分的，这就导致了包含SNN层的深度学习模型不能用反向传播的方式来训练。但是我们可以用一个形状与阶跃函数相似的激活函数$\sigma (x)$去代替。这被称为梯度替代法。

在前向传播时，使用$g(x)=\Theta (x)$，神经元的输出是离散的0和1，网络依然是标准的SNN，但反向传播时，使用梯度替代函数代替计算脉冲函数的梯度：$$g^{\prime }(x)={\sigma }^{\prime }(\alpha x)$$其中，$\alpha$可以调整激活函数的平滑程度：$$\sigma (\alpha x)=\frac{1}{1+exp(-\alpha x)}$$当$\alpha$越大，$\sigma (\alpha x)$就越接近$\Theta (x)$，但也越容易在靠近$x=0$时梯度爆炸，远离$x=0$时则容易梯度消失，导致网络难以训练。

下图显示了不同$\alpha$时，梯度替代函数的形状：

事件驱动

对于事件驱动的SNN，不需要通过时钟驱动SNN的计算，神经元的状态更新由事件触发。

在脉冲响应模型（Spike response model，SRM）中，使用显式的$V-t$方程来描述神经元的活动，而不是用微分方程去描述神经元的充电过程。由于$V-t$是已知的，因此给与任何输入$X(t)$，神经元的响应$V(t)$都可以被直接算出（不需要提供$V(t-1)$的信息，因此与时钟取消了关联）。

Tempotron神经元也是一种SNN神经元，其命名来源于ANN中的感知器，感知器是最简单的ANN神经元，其对输入数据加权求和，输出二值0或1来表示数据的分类结果。Tempotron神经元可以看作是SNN中的感知器，它同样对输入数据加权求和，再输出二分类结果。

Tempotron的膜电位定义为：$$V(t)=\sum _i{w}_i\sum _{t_i}K(t-t_i)+V_{reset}$$其中，$w_i$是第$i$个输入的权重，也可以看作是所连接的突触的权重；$t_i$是第$i$个输入的脉冲发射时刻，$K(t-t_i)$是由于输入脉冲引发的突触后膜电位（postsynaptic potentials，PSPs）；$V_{reset}$是Tempotron的重置电位，或者称为静息电位。

其中，关于$K(t-t_i)$是一个关于$t_i$的函数（PSP Kernel），当$t\ge t_i$时，其函数表达为：$$K(t-t_i)=V_0(exp(-\frac{t-t_i}{\tau })-exp(-\frac{t-t_i}{{\tau }_s}))$$当$t<t_i$时，其函数表达为：$$K(t-t_i)=0$$其中，$V_0$是归一化系数，使得函数的最大值为1；$\tau$是膜电位时间常数，可以看出输入的脉冲在Tempotron上会引起瞬时的电位激增，但之后会呈指数衰减；${\tau }_s$是突触电流的时间常数，这一项的存在表示突触上传导的电流会随时间衰减。

单个的Tempotron可以作为一个二分类器，分类结果的判别，是看Tempotron的膜电位在仿真周期内是否超过阈值：

其中 t m a x = a r g m a x t { V t } t_{max}=argmax_{t}\left\{V_{t}\right\} tmax​=argmaxt​{Vt​}。从Tempotron的输出结果也可以看出，Tempotron只能发射不超过1个脉冲。单个Tempotron只能做二分类，但多个Tempotron就可以做多分类。

关于Tempotron的训练，可以使用梯度下降法优化网络参数$w_i$，以二分类问题为例，损失函数被定义为仅在分类错误的情况下存在。当实际类别$y$是1而实际输出$\hat{y}$是0，损失为$V_{threshold}-V_{t_{max}}$；当实际类别是0而实际输出是1，损失为$V_{t_{max}}-V_{threshold}$。可以统一写为：$$E=(y-\hat{y})(V_{threshold}-V_{t_{max}})$$直接对参数求梯度，可以得到：

因为：$\frac{\partial V(t_{max})}{\partial t_{max}}=0$

基于时间驱动的脉冲神经元

spikingjelly：LIF神经元

后续内容的实验部分将基于第三方库spikingjelly进行。SpikingJelly是一个开源脉冲神经网络深度学习框架，使用PyTorch作为自动微分后端，利用C++和CUDA扩展进行性能增强，同时支持CPU和GPU。框架中包含数据集，可视化，深度学习三大模块。

安装spikingjelly：

pip install spikingjelly
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在spikingjelly中，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网络。在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为例进行了解。

首先导入相关模块：

import torch
import torch.nn as nn
import numpy as np
from spikingjelly.clock_driven import neuron
from spikingjelly import visualizing
import matplotlib.pyplot as plt
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新建一个LIF神经元构成的网络层：

lif=neuron.LIFNode(tau=100.0)
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LIF神经元的参数有以下：

• tau：膜电位时间常数；
• 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，当神经元发射脉冲后，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，脉冲函数的替代函数。

其中 surrogate_function 参数，在前向传播时的行为与阶跃函数完全相同。

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$V(t)$（发射脉冲前），因此，spikingjelly.clock_driven.neuron中的神经元，都有对象v，可以打印刚刚新建神经元的膜电位：

print(lif.v) # 0.0
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电位是0，因为我们没有给它任何输入，我们给几个不同的输入，观察神经元的电压shape：

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])
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回顾前面的LIF神经元状态更新方程（充电）：$${\tau }_m\frac{dV(t)}{dt}=-(V(t)-V_{reset})+X(t)$$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$X(t)$不是常数，所以不易求出解析解，我们用差分方程近似微分：$${\tau }_m(V(t)-V(t-1))=-(V(t-1)-V_{reset})+X(t)$$因此可以得到$V(t)$（神经元未发射脉冲前的瞬时电压）的表达式：$$V(t)=f(V(t-1),X(t))=V(t-1)+\frac{1}{{\tau }_m}(-(V(t-1)-V_{reset})+X(t))$$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 spikingjelly.clock_driven.neuron.BaseNode，共享相同的放电、重置方程。

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。

发射脉冲消耗了神经元累积的电荷，因此膜电位会有一个瞬时的降低，即电压重置，在spikingjelly中，设置了两种重置方式，根据spikingjelly.clock_driven.neuron 中的构造函数的参数之一 v_reset选择：

• Hard：v_reset=1.0（默认值为1.0），释放脉冲后，膜电位直接被设置成重置电压：$V(t)=V_{reset}$；
• Soft：v_reset=None，释放脉冲后，膜电位减去阈值电压：$V(t)=V(t)-V_{threshold}$。

实验仿真

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。

现在我们给与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：

lif.reset()
x = torch.as_tensor([2.0])
T = 150
s_list = [] # 输出脉冲
v_list = [] # 隐藏状态:膜电位
for t in range(T):
    s_list.append(lif(x))
    v_list.append(lif.v)

visualizing.plot_one_neuron_v_s(np.asarray(v_list), np.asarray(s_list), v_threshold=lif.v_threshold, v_reset=lif.v_reset,
                                dpi=200)
plt.show()
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我们给与的输入shape=[1]（固定数值2.0），因此这个神经元层只有一个神经元。它的膜电位（Membrane Potentials）和输出脉冲随着时间变化情况如上图。

现在将该层神经元重置（重新初始化），并给与shape=[32]的随机数组输入，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
s_list = [] # 32个神经元在50步仿真下输出的脉冲
v_list = [] # 32个神经元在50步仿真下的膜电位
for t in range(T):
    s_list.append(lif(x).unsqueeze(0)) # unsqueeze(0)增加首维度,lif(x).unsqueeze(0) shape=[1,32]
    v_list.append(lif.v.unsqueeze(0))

s_list = torch.cat(s_list) # shape=[50,32]
v_list = torch.cat(v_list) # shape=[50,32]

visualizing.plot_2d_heatmap(array=np.asarray(v_list), 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(s_list), title='Spiking', xlabel='Simulating Step',
                           ylabel='Neuron Index', dpi=200)
plt.show()
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从Spiking中可以看出，有部分神经元发射了脉冲，有的却没有发射。我们可以想像，在重复输入一个信息对象的过程中，该信息对象对应的某个特征持续被感知到，迫使该神经元膜电位上升而作出发射脉冲的行为。

从上面的仿真可以看出，脉冲神经元层可以接收连续数值张量，但只能输出脉冲，如果仅包含LIF脉冲神经元层，模型不需要训练（因为没有可学习参数）。

对比传统的神经元，传统神经元的激活是瞬时的，缺少时间尺度上提供的信息，从生物角度看，此刻兴奋的神经元在下一时刻应该惯性地也比较兴奋。这就引出了脉冲神经网络(SNN)的想法，神经元的兴奋度不应该是一瞬间更新的，而是具有慢慢衰减的表现，在持续输入信息的刺激下，最后激活的兴奋区才是预测判别结果。SNN更贴近生物角度，适合处理与脉冲序列有关的应用前景。

研究问题随笔
通过观察LIF神经元，发现神经元缺少知识，若想嵌入到深度学习模型，只能作为替代激活函数的一个工具。LIF神经元只是模拟了生物上信息的传递与神经元电位的改变，后续研究或许可以在LIF的机理上进行修改，为神经元增加知识。