脳に近づくAI~教師なし学習を行うエコーステートネットワーク~

2026-01-27 東京大学 国際高等研究所

東京大学を中心とする研究グループは、脳型人工知能モデルの一つであるエコーステートネットワーク(ESN)において、教師なし学習による新しい定式化を提案した。従来、ESNで入力時系列を再構成するには正解データ(教師データ)が不可欠と考えられてきたが、本研究ではネットワークの可逆性に関する数学的条件を用いることで、教師データを与えずに入力再構成やノイズ除去が可能であることを理論的に示した。さらに数値実験により、理論条件が完全に満たされない現実的状況でも本手法が有効に機能することを確認した。この成果は、ESNが本来持つ自律的学習能力を明確にするとともに、効率的なAI設計や、人間の脳における自発的学習機構の理解に貢献する重要な知見である。研究成果は国際学術誌Neural Computationに掲載された。

脳に近づくAI~教師なし学習を行うエコーステートネットワーク~
図1 ESNにおける入力再構成の定式化
上段:ESNの典型的な定式化。入力層・リザバー層・出力層から構成され、リザバー層から出力層への結合行列は教師データに基づき学習されます。入力再構成タスクにおいても、真の入力系列そのものを教師データとして与える必要がありました。
下段:本研究による再定式化。特定の数学的条件が成り立つ場合、教師データを用いずにリザバー状態の系列のみから入力再構成を実現可能であることを示しました。

<関連情報>

入力再構成のためのエコー状態ネットワークにおける教師なし学習 Unsupervised Learning in Echo State Networks for Input Reconstruction

Taiki Yamada,Yuichi Katori,Kantaro Fujiwara
Neural Computation  Published:January 20 2026
DOI:https://doi.org/10.1162/NECO.a.38

Abstract

Echo state networks (ESNs) are a class of recurrent neural networks in which only the readout layer is trainable, while the recurrent and input layers are fixed. This architectural constraint enables computationally efficient processing of time-series data. Traditionally, the readout layer in ESNs is trained using supervised learning with target outputs. In this study, we focus on input reconstruction (IR), where the readout layer is trained to reconstruct the input time series fed into the ESN. We show that IR can be achieved through unsupervised learning (UL), without access to supervised targets, provided that the ESN parameters are known a priori and satisfy invertibility conditions. This formulation allows applications relying on IR, such as dynamical system replication and noise filtering, to be reformulated within the UL framework via straightforward integration with existing algorithms. Our results suggest that prior knowledge of ESN parameters can reduce reliance on supervision, thereby establishing a new principle—not only by fixing part of the network parameters but also by exploiting their specific values. Furthermore, our UL-based algorithms for input reconstruction and related tasks are suitable for autonomous processing, offering insights into how analogous computational mechanisms might operate in the brain in principle. These findings contribute to a deeper understanding of the mathematical foundations of ESNs and their relevance to models in computational neuroscience.

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