スパイキングニューラルネットワークの予測能力を向上(Improving the Prediction Ability of Spiking Neural Networks)

20026-08-20 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)とブラウン大学の研究チームは、スパイキングニューラルネットワーク(SNN)を科学的機械学習における回帰問題へ適用する新手法を開発した。SNNは脳の神経活動を模倣し、通常の人工ニューラルネットワークより計算効率に優れる一方、回帰では予測精度が低いことが課題だった。研究では、従来のLeaky Integrate-and-Fire(LIF)ニューロンに代えて、Quadratic Integrate-and-Fire(QIF)ニューロンを採用。QIFでは入力やシナプス重みの小さな変化が発火の有無ではなく発火タイミングに反映されるため、より滑らかな出力が得られる。実験では、SNNによる回帰予測の精度と滑らかさが大幅に改善され、SNNが科学的機械学習の回帰タスクにも有効であることを実証した。一方で、LIF型より効率が低下する課題も確認されており、今後は精度を維持しながら計算効率を高める研究が進められる。

スパイキングニューラルネットワークの予測能力を向上(Improving the Prediction Ability of Spiking Neural Networks)
New research highlights how spiking neural networks can be effective for the regression tasks key to scientific machine learning. (Image by Stephanie King | Pacific Northwest National Laboratory)

<関連情報>

LIFからQIFへ:科学的機械学習のための微分可能なスパイクニューロンに向けて From LIF to QIF: Toward differentiable spiking neurons for scientific machine learning

Ruyin Wan,George Em Karniadakis & Panos Stinis
npj Artificial Intelligence  Published:27 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s44387-026-00121-2  Early provide

Abstract

Spiking neural networks (SNNs) offer biologically inspired computation but remain underexplored for continuous regression tasks in scientific machine learning. In this work, we introduce and systematically evaluate Quadratic Integrate-and-Fire (QIF) neurons as an alternative to the conventional Leaky Integrate-and-Fire (LIF) model in both directly trained SNNs and ANN-to-SNN conversion frameworks. The QIF neuron exhibits smooth and differentiable spiking dynamics, enabling gradient-based training and stable optimization within architectures such as multilayer perceptrons (MLPs), Deep Operator Networks (DeepONets), and Physics-Informed Neural Networks (PINNs). Across benchmarks on function approximation, operator learning, and partial differential equation (PDE) solving, QIF-based networks yield smoother, more accurate, and more stable predictions than their LIF counterparts, which suffer from discontinuous time-step responses and jagged activation surfaces. These results position the QIF neuron as a computational bridge between spiking and continuous-valued deep learning, advancing the integration of neuroscience-inspired dynamics into physics-informed and operator-learning frameworks.

1602ソフトウェア工学
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