研究現況 1997
Activities 1997
複素ニューラルネットワーク
廣瀬 明・ 杉山和之

 複素ニューラルネットワークは、信号の振幅情報と位相情報とを整合的に扱うニューラルネットワーク理論であり、またコヒーレント型ニューラルネットワークの基礎理論でもある。本年度は、本理論の実用的応用として、複素ニューロ・レーダ装置に関する理論的研究と、そのプロトタイプの試作を進めた。まず、Ka帯のミリ波による反射画像(振幅・位相)情報を取得するハードウエアを構築した。そして、取得されるデータを複素ニューラルネットワークによって処理することにより、画像認識・判断、あるいは画像再構成を適応的に行うレーダシステムの原型を構成し、計測実験を進めている。本システムによって、従来困難であった処理(スペックルの効果的な除去等)が適応的に行われるシステムが実現されると期待される。  


コヒーレント 型ニューラルネットワーク
廣瀬 明・ 木内 舞

 コヒーレント型ニューラルネットワークは、波動(光波、電磁波、電子波、超音波など)をキャリアとして用いる将来的なニューラルネットワークの基礎アーキテクチャとして、本研究室が提案したものである。本年は、コヒーレントなレーザー光をキャリアとして用いるニューラルネットワーク システムのプロトタイプの試作を進めた。  フォン・ノイマン型計算機上で行われるニューラルネットワーク情報処理の弱点は、本質的に直列な演算方式にある。本提案のシステムでは、その積計算部分を空間光変調器による並列演算で置き換え、また和計算を光の空間的な合成によって実現しており、本質的に並列処理を実現している。その際、空間的コヒーレンスと時間的コヒーレンスを有効に活用しており、通常の並列光コンピューティング システムとは一線を画する様々な特長を有している。また本研究は、将来像の未だにはっきりしない脳型情報処理システムの方向付けを行い、実現するための、重要な基礎になるものと考られる。


神経回路ダイナミクスのメゾスコピックな解析と合成
廣瀬 明・ 村上慎吾

 近年、微小電極アレイやオプティカルレコーディングなどの、神経細胞膜電位のダイナミクスを対象とする多チャンネルかつ高分解能の観測手法が確立されつつある。これらの観測手法によって得られる、膜電位のメゾスコピックな振る舞いを記述するための理論の中核として、境界要素法を用いた三次元的解析理論を構築した。そして、細胞体や樹状突起における神経信号電位の伝搬や相互作用、複数の神経回路編間のパルスの同期や半同期などの現象について、合成による解析を進めている。本研究によって、メゾスコピックな神経回路網研究とも呼ぶべき研究分野が開拓されると考えている。
Complex-valued neural networks
A. Hirose and K. Sugiyama

 Complex-valued neural networks deal with phase as well as amplitude information of signals. The theory is a base of recent coherent neural networks utilizing carrier waves such as lightwave. This year we have been constructing a prototype of a practical application system; i.e., an adaptive radar system using complex-valued networks for recognition, regeneration, and clasification of captured millimetric-wave data. The purpose of the system is to observe the use or state of land and sea intelligently from aircrafts or satellites. Because the electromagnetic-wave propagation phenomena consist of coherent physics, the complex-valued neural network is suitably applied to such future radar systems. A Ka-band transmitter and receiver hardware was realized that can capture a refrected image data (amplitude and phase) by antennas scans. The complex-amplitude data is processed in thecomplex network. Itsoutput can be recognized results, reconstructed image, or classified refrectance. A temporary goal of the prototype is an effective reduction of speckle noise in the images.


Coherent Optical Neural Networks
A. Hirose and M. Kiuchi

 We proposed coherent type neural networks as a fundamental architecture for future neural networks that use waves (such as light, electro-magnetic and supersonic waves) as information carriers. We are constructing a prototype of a neural network system with a coherent laserbeam for the information carrier. The drawback of neural networks simulated on von Neumann type computers lies in the serial calculation. In the proposed system, a spatial light modulator replaces the serial multiplication. Also, the summation process is realized by integrating the lightwaves. The construction results in substantially parallel instead of serial calculation. Besides the spatial coherence, the system utilizes a temporal coherence (phase / frequency information) which yields a carrier-frequency basis vector orthogonal to ordinary neural information space. The space extension produces many distinct characteristics compared to conventional optical computing systems. Furthermore, we think this study will be an important base for directing studies on brain-type computer architecture.


Mesoscopic analysis and synthesis of biological neural-network dynamics
A. Hirose and S. Murakami

 Recent progress in multichannel and high- resolution physiological equipments such as microelectrode arrays and optical recording has opened new fields in neurophysiology. Such new developments enebles us to observe detailed dynamics of membrane potential and related signals. At the same time, we have come to need a new theory to describe the spatiotemporal behavior of the electromagnetic neural signals in biological systems. This year we developed a three- dimensional analysis theory using the boundary element method to clarify the mesoscopic dynamics of the membrane potential. We can analyze the behavior by synthesizing the membrane potential behavior more precisely by numerical calculation using the theory than the conventional compartmental method. This approach is expected to lead to a new research field of electromagnetism accompanying the neuronal activiry.


論文・著書一覧(1997年度)
Publication List

[1] A.Hirose S.Murakami, Mesoscopic analysis and synthesis of membrane potential dynamics using two-dimensional Hodgkin-Huxley equations, Int'l Conf. on Neural Inform. Processing (ICONIP)'97, Proc. 2 (Nov. 24-28, 1997, Dunedin) 202-205

[2] A.Hirose, Two-dimensional Hodgkin-Huxley equations for investigating a basis of pulse-processing neural networks, Int'l Conf.on Art. Neural Networks (ICANN)'97, Proc. (Oct. 7-10, 1997, Lausanne) 85-90

[3] A.Hirose H.Onishi, Experimental analysis of behavior stability in neuron gain domain in recurrent complex-valued neural networks, IEEE Int'l Conf. on Neural Networks (ICNN)'97, Proc. 2 (June 9-12, 1997, Houston) 657-662

[4] A.Hirose, Two-dimensional Hodgkin-Huxley equations for mesoscopic analysis and synthesis of neural membrane functions, Int'l Conf. on Comput. Intelligence and Neuroscience (ICCIN)'97, Proc. 2 (Mar.2-5, 1997, Research Triangle Park) 42-45

[5] A.Hirose H.Onishi, Behavior stability and time-sequential signal variation of recurrent complex-valued neural networks, Int'l Conf. on Comput. Intelligence and Neuroscience (ICCIN)'97, Proc. 2 (Mar.2-5, 1997, Research Triangle Park) 134-137

[6] 廣瀬 明, 細胞体および樹状突起における膜電位の伝搬と相互作用の解析・合成のための2次元Hodgkin-Huxley方程式の提案 -メゾスコピックな神経回路網研究の提案-, 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC96-118 (1997)

[7] 大西 啓史 廣瀬  明, 複素リカレントニューラルネットワークのダイナミクス, 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC96-123 (1997)