TempUnit: A bio-inspired spiking neural network

16sept08

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1. Introduction

Formal neural networks have many applications. Applications of control of tasks (motor control) as well as speech generation have a certain number of common constraints. We are going to see seven main constraints that a system based on a neural network should follow in order to be able to produce that kind of control. Afterwards we will present the TempUnit model which is able to give some answers for all these seven criteria.

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Temporal Processing in Primate Motor Control : Relation Between Cortical and EMG Activity by Olivier F. L. Manette and Marc A. Maier

27sept07

Abstract—We investigated spatio-temporal information processing in the primate motor system. Corticomotoneuronal (CM) cells provide monosynaptic excitatory connections from motor cortex to spinal motoneurons and contribute causally to the time-varying electromyogram (EMG) of their target muscle. A multilayer perceptron (MLP) was used to evaluate the transfer function between neural activity of single CM cells and their target muscle EMG, using data from in-vivo recordings in primate motor cortex. For an optimal MLP performance, i.e., minimal error between recorded target EMG and MLP-derived EMG, the CM cell input period had to span the latency observed between CM cell peak activity and EMG peak activity. We argue that the same spike train may code two types of information:

1. rate coding within the input window accounted for large-amplitude variations in the EMG signal and
2. temporal coding within a window of 40 ms just prior to the EMG output signal accounted or EMG variations of small amplitude.

The transfer function of the MLP, thus, combines rate and temporal coding and suggests that CM cell output may also combine these two forms of coding.

We predict that mutual constraints of rate and temporal coding would, however, would limit the CM output to code for particular temporal profiles of EMG, possibly adapted to bio-mechanical constraints.

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Tags: perceptron, EMG, Backpropagation, biological motor system, biological system modeling, brain modeling, electromyography, MLP, TDNN, neural network applications, transfer function

TempUnit: A bio-inspired neural network model for signal processing By Olivier FL. Manette, Marc A. Maier

27sept07

Abstract – We have developed and tested a novel artificial neural network for the processing of temporal signals. The working of the units (TempUnit) is based on the mechanism of temporal summation as observed in biological neurons. Its particularity is to adapt its basis function by supervised learning. The model was tested on cortical and associated muscular (EMG) recordings from the behaving primate.

1. The TempUnit showed a 2.3 times better performance in mapping spiking to EMG activity than a time delay multi-layer perceptron.
2. Data compression capacity of the TempUnit was tested on audio data and compared to the MP3 compression standard. For a similar reproduction quality, we found a compression rate 5 times higher than in MP3.

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Tags: audio compression, CM cells, EMG, motor cortex, neural network, perceptron, tempunit

Cérémonie de remise des diplomes de doctorat “à l’américaine” en france

18sept07

Depuis mai 68, où sous les pressions étudiantes qui affichaient un certain mépris des conventions, cette cérémonie avait été supprimé. Nous assistons aujourd’hui à un certain retour à des valeurs traditionnelles.

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Rafraichissez-vous et vous pourriez vivre plus longtemps.

05nov06

Le réfrigérateur est utilisé pour rallonger “la vie” de vos aliments et une
nouvelle étude suggère qu’un principe similaire pourrait également prolonger
votre propre vie. Les chercheurs ont trouvé que baisser la température du
corps d’une souris de juste 0.5°C étend leurs vies d’environ 15%. La seule
méthode précédemment prouvée pour rallonger la vie d’un animal a été par un
régime de restriction calorique.

Bruno Conti de l’institut de recherche Scripps à La Jolla en Californie
(USA) et ses collègues ont par génie génétique réalisée une lignée de souris
ayant une défaillance dans une région spécifique du cerveau appelée
l’hypothalamus latéral. Cette défaillance force les cellules de cette région
a avoir un métabolisme au maximum, causant un réchauffement par rapport à
une souris normale. Chez la souris, l’hypothalamus latéral est situé à
seulement 0,8mm du thermostat de contrôle de la température du corps (l’aire
pré optique) qui est floué par l’excès de chaleur et déclenche le processus
de rafraichissement du corps.
Avantage féminin
La température du corps de cette souris génétiquement modifiée est ainsi
environ 0,6°C inférieure aux souris contrôle. Cette petite diminution de la
température du corps provoque un effet remarquable sur sa durée de vie,
l’étendant de 12 à 20%. Cette diminution de la température du corps prolonge
la vie des souris femelle encore plus que chez les males.
Les radicaux libres
Les restrictions caloriques, une autre méthode montrée pour étendre la vie
d’un animal, causent également une diminution de la température du corps.
Dans cette étude, les 2 groupes de souris mangent à peu près la même
quantité. En fait, les souris mâles génétiquement modifiées sont 10% plus
lourdes que les souris normales.

Conti dit que la recherche montre que c’est la baisse de la température du
corps, et pas nécessairement la consommation de peu de calories, qui joue le
rôle le plus important dans l’extension de la durée de vie.

La raison pourrait être parce que le corps fonctionne au ralenti lorsque sa
température baisse ce qui résulte d’une production de radicaux libres
diminuée. Ces derniers endommagent les cellules et participent ainsi à
l’apparition des signes liés à l’age.

Conti dit que dans le futur les gens seront capables de prendre une pilule
qui ciblera spécifiquement le thermostat de l’aire pré optique du cerveau
afin de réduire la température du corps. Revenir avec une telle pilule sera
un “véritable challenge”, mais il espère que ça permettra aux gens de vivre
plus longtemps sans pour cela se résoudre à un régime hypo-calorique.

Référence : Science (DOI: 10.1126/science.1132191)

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Il n’y aura peut-être plus de poisson sauvage dans les mers à l’horizon 2050.

03nov06

La faute n’est pas seulement a rejeter sur la sur pêche mais également à l’attaque généralisée de la santé des écosystème marin, par exemple par la pollution.
D’après Steve Palumbi de l’université de Stanford en Californie (USA) : “A moins que nous changions fondamentalement notre façon de gérer l’éco-système, ce siècle est le dernier avec des poissons sauvages”.
Il a travaillé pendant 4 ans avec ses collègues et l’étude réalisée est la plus grande et la plus complète permettant de comprendre la productivité des océans et prédire leur futur. Pour la première fois, une étude combine des données historiques sur les prises de pêche et des essais d’expérimentations de retour de la vie marine dans des zones protégées.
Les auteurs, de 5 pays, ont synthétisé des centaines d’études couvrant chaque échelle depuis la totalité des océans à des “points” marins de quelques mètre carrés. Et toutes ces études aboutissent à la même conclusion : les écosystèmes riches avec beaucoup d’espèces peuvent survivre malgré la pêche et d’autres menaces, mais dès le moment où la bio-diversité est perdue, la totalité du système, y compris les stocks de pêche, vont vers un déclin exponentiel.
 
Un écosystème sain garde les poissons en bonne santé et bien nourris et maintien les nurseries à poisson tels que les récifs coralliens et les herbes marines. Mais de tels systèmes sont moins nombreux chaque année. Depuis 1950, 29% des espèces commerciales ont souffert d’un effondrement de leur effectif (défini par une chute de 90% ou plus).
 
Et le rythme s’accélère. L’étude extrapole que la dernière espèce de poisson commerciale sera perdu en 2048.
 
Mais le rapport a également montré que la vulnérabilité à l’effondrement du stock de poisson dépend de la diversité biologique générale : les zones de l’océan avec une diversité faible ont souffert d’un effondrement de 34% de leurs stocks de poissons commerciaux comparé à une chute de 24% dans les zones ayant une bio-diversité plus élevée. Cette étude démontrant que même les espèces non péchés ont un impact sur la pêche à cause des liens entres espèces.
 
La bonne nouvelle est que les stocks de poissons peuvent se rétablir si des écosystèmes sont protégés et que la bio-diversité est préservée. Boris Worm, un conservateur marin de l’université Dalhousie à Halifax au Canada, qui a dirigé l’étude, dit qu’à l’intérieur des 44 aires protégées étudiées, “les espèces reviennent plus rapidement que les gens avaient anticipés – en 3 ou 5 ou 10 ans. Et là où ça a été fait, nous avons immédiatement eu un bénéfice économique”.
 
“Une zone de conservation marine classique peut accroître la bio-diversité de plus de 1/5 et accroître les prises de pêche d’un quart. Or moins de 1% de la surface globale des océans est actuellement protégée.”
 
“La conservation de la bio-diversité et un développement économique à long terme doivent être vu comme interdépendant” ont conclu les chercheurs.
 
Référence : Science (vol 314, p 787)

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Résumé thèse

01nov06

Le système Cortico-Motoneuronal (CM) est composé de populations de neurones situées dans le cortex moteur réalisant des prolongements axoniques directs vers les motoneurones de la moelle épinière. Il est impliqué dans la réalisation de mouvements volontaires de la main et particulièrement pour les mouvements nécessitant un haut degré de dextérité. Les cellules CM réalisent des connexions monosynaptiques avec les motoneurones impliqués dans ces mouvements. Il est par conséquent particulièrement pertinent de s’intéresser au codage de l’information en relation avec l’activité musculaire dans l’activité de ces neurones.

Le but de mon travail a donc été de comprendre à la fois, i) Quelle est l’information transmise par le système CM ? ii) Comment est codée cette information ? Pour cela nous avons utilisé des enregistrements de neurones CM et des enregistrements de l’activité musculaire (EMG) chez le macaque lors de la réalisation d’une tâche de préhension entre le pouce et l’index. Pour déterminer le codage utilisé par les neurones CM, nous avons suivi une méthode se servant d’un perceptron multicouches à délai temporel (TDMLP) que nous avons entraîné afin de déterminer la fonction de transfert donnant l’EMG à partir de l’activité CM.

Les résultats trouvés nous montrent qu’il existe 2 types de codage de l’activité EMG par le neurone CM : Un codage en fréquence et un codage temporel. Le codage en fréquence a la particularité d’être défini dans l’activité binaire du neurone avec un délai correspondant à la latence entre le pic d’activité CM et le pic EMG. Le codage en fréquence défini les grandes variations de l’activité EMG. A cela s’ajoute un codage temporel des petites variations de l’EMG avec un délai de l’ordre du délai de transmission. En effet, de nombreux indices ont corrélé la fréquence moyenne des spikes dans une fenêtre avec les grandes variations de l’EMG. De plus, nous avons trouvé des patrons temporels de spikes en relation avec la taille des petites variations de l’EMG mesuré par le post-spike variation (PSV). Le PSV est la dérivée de l’EMG centrée sur un spike. Un codage temporel a été trouvé dans l’activité de 28 neurones CM sur les 45 analysés. Ces patrons, une fois utilisés comme entrée de TDMLP entraînés ont influencé l’EMG d’une manière prédictible en fonction du type de patron. L’occurrence des patrons s’est retrouvée plus importante pendant la période de maintient. Ceci révélant une certaine indépendance dans la modulation en temporel et en fréquence de l’activité CM. De plus, une meilleure utilisation du codage temporel par les neurones CM peut être la source d’une plus grande quantité d’information transmise par ces neurones à chaque instant de temps et donc être mise en relation avec une meilleure réalisation de la tâche comportementale. Tous ces résultats expérimentaux ont été regroupés dans un modèle formel et explicatif, le TempUnit, se basant sur le principe de la sommation temporelle. Le modèle TempUnit a montré de meilleures capacités que le TDMLP pour prédire l’activité EMG à partir de l’activité CM.

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Rina

18août06

Enfin arrive l’heure de rentrer dans l’avion pour Vancouver (Vin’ Cou-VE). Il y a 6h30 de vol pour rejoindre Vancouver qui se trouve sur la cote ouest pacifique depuis Montréal qui se trouve sur la cote est au niveau de l’embouchure du Saint-Laurent. Les temps de vol me donne le tourni : 6h30 de vol pour traverser un seul pays ! Je compare avec le temps qu’on devrait prendre pour parcourir la distance Lille-Marseille. Même en train cela devrait prendre moins de temps, de l’ordre de 4h30. J’ai l’impression d’avoir atteind un continent où tout est hors dimension où tout est plus grand. En effet le Canada est l’un des pays les plus grand du monde après La Russie et la Chine. Mais il ne compte seulement que 20 million d’habitants. Le nord canadien est en grande partie sauvage et trop froid l’hiver pour y être habité par une population non culturellement habitué à des température aussi extrême.

J’avais demandé à l’hotesse de me placer près d’un hublot pour profiter de la vue que je n’avais pas pu avoir dans le vol Paris-Montréal. Je suis déja tout excité à l’idée de découvrir les paysages canadiens vu du ciel. Je me dirige vers le numéro de mon siège et je m’installe. A peine assis, un homme avec une femme située de l’autre coté de la rangée me demande si ça ne me dérange pas d’échanger de place avec eux afin qu’ils soient côte à côte. Enfer et damnation ! La place où je devrais me déplacer est coté couloir ! Mais qu’est-ce que ça peut leur faire, ils ne seraient qu’à une place et un couloir l’un de l’autre ce qui doit faire moins de 1m50 entre eux ! ils vont pas me dire que ça va les tuer ! MERDE ! En plus je passe pour un monstre ! Un être sans coeur ! Un briseur de couple ! Ils me regardent déja avec leur yeux remplis de larmes. Je me retourne vers la fenêtre pour lui faire un dernier adieux déchirant avant nos séparations forcées ! Que vois-je ! Cette fenêtre est millimétrique ! C’est la sortie de secours et la fenêtre est là simplement pour vérifier que le moteur n’est pas en flamme avant d’ouvrir la porte. Je me rertourne alors vers eux avec mon plus grand sourir : “Mais bien sur que je peux me déplacer. Sans problème !” -”Oh thank you so much !”

J’aurai fait ma bonne action de la journée. Je suis malgré tout fier de moi. Je rejoins ma place avec un sentiment de compassion extrême. Bon d’accord, personne n’y crois, moi non plus !

En tout cas je m’assied à mon nouveau siège coté couloir. La fatigue commence à se faire sérieusement sentir. Les autres passagers continuent à monter et à s’installer à leurs places dans l’avion. Une jeune femme s’installe à coté de moi. Après les salutations d’usage elle me demande si par hasard je n’irais pas à une conférence à Vancouver ? Ouaw ! Bien vu ! Effectivement je vais à une conférence. “Comment le sais-tu ?” -  “Il y a beaucoup de conférences qui ont lieu l’été à Vancouver, et tu as l’air d’être dans la bonne tranche d’age” -” Ok ! et à quelle conférence vas-tu?”  -”World Congress on Computationnal Intelligence, le WCCI” – “Ah ben c’est drole car on va à la même” -Ah oui ! C’est marrant, et tu as trouvé un hotel non loin de la conférence ?” -”Oui ! j’ai trouvé une auberge très proche à seulement 1 min et 1 rue à traverser du lieu du congrès. c’est l’auberge HI” -”Non !!! Moi aussi !” Et elle me sort son papier de réservation “Incroyable qu’on se soit retrouvé dans l’avion juste à coté comme ça !” Elle me demande comment je compte me rendre à l’hotel ? Et elle me sort un papier avec les itinéraires détaillés pour tous les moyens de locomotions possibles jusqu’à l’auberge avec les prix. Heureusement que je l’ai rencontré car je n’avais pas la moindre idée de comment me rendre à l’auberge. Je n’avais que l’adresse, aucun itinéraire. Je me serais  surement débrouillé d’une manière où d’une autre en arrivant à l’aéroport de Vancouver. Non seulement je tombe sur quelqu’un qui va à la même auberge et à la même conférence que moi mais en plus quelqu’un de drolement bien organisé. Je choisi d’y aller en bus, c’est à la fois le moyen le moins cher, mais en même temps un excellent moyen de découvrir la ville. La conversation se poursuit ensuite sur nos présentations respectives à la conférence puis sur des choses plus personnelles. Elle est argentine et habite à Montréal depuis 1 an pour reprendre ses études. Elle ne parle pas encore français mais compte bien apprendre à Montréal. Elle ne peut pas le parler mais comprend pratiquement tout. De plus beaucoup son bilingues à Montréal donc avec l’anglais elle se débrouille facilement. Malheureusement je me sens très fatigué donc la conversation ne s’éternise pas trop. Distribution de nourriture. Pardon ! Je dois rectifier, vente de nourriture. Ils n’ont que des vieux sandwichs super cher. ça ne m’interesse pas. L’hotesse vient ensuite me voir en m’appellant par mon nom ! Elle me dit qu’à cause (ou grâce) du retard j’ai droit à un sandwich gratuit. Bon ! Dans ce cas, je veux bien. Non ! Ce n’est pas ce que vous pensez ! Je ne suis pas un rapace qui me gave à partir du moment où c’est gratuit. Et qui rechigne à dépenser le moindre sou. Mais c’est sandwichs ne semblaient vraiment pas appétissant au début, mais l’appétit vient en mangeant n’est-ce pas ? En fait ce sont des vieux sandwichs de chez Subways qui ont l’air d’avoir été enballés depuis un bon moment déja. En fait, il n’est vraiment pas bon et je n’arrive pas à le manger. Je le conserve pour plus au cas où une disette grave se déclarait. On ne sait pas ce qui pourrait arriver, je ne suis jamais allé au Canada avant. Bon ça m’étonnerait quand même. Le vol se passe ensuite dans le calme, sauf que le froid se faisant sentir je demande à l’hotesse une couverture qui me demande 2$ pour la location. Il y a une grande différence entre les vols internationnaux Air Canada et les vols locaux, même si c’est vols locaux durent 6h30 ! Ma fatigue me tiens cloué à mon siège les yeux clos la plupart du temps. “Attachez votre ceinture, nous allons bientôt attérir”

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Présentation

17août06

J’ai oublié de me présenter.  Je m’appelle Olivier, j’habite à Paris et je suis étudiant en thèse de Sciences Cognitives.  En juillet je suis parti à Vancouver pour participer à une conférence : le World Congress on Computational Intelligence (WCCI). à Partir de Vancouver, j’ai décidé de partir pour un voyage de 2 mois à travers les Amériques et arriver jusqu’au chili efin aout, début septembre. En passant par les états-Unis et rapidement par le mexique. Afin de voir de mes yeux l’étendue des paysages américains et aussi pour rencontrer des gens et me faire ma propre opinion à propos de l’amérique et des américains. Je suis actuellement à la moitié de mon voyage, et maintenant avec un peu de recul, je peux revenir sur les événements passés et vous faire part de mon expérience. Là où j’habite habituellement, à Paris, les gens ont tellement d’opinions à propos des américains et de l’amérique, et quand je parle des américains généralement tout le monde comprend les étatsuniens, ceux qui habitent les USA. Depuis la guerre contre le terrorisme qui à démarré le 11 septembre 2001 par l’attaque des tours du World Trade Center. Ces attaques ont été justifiées par une déclaration de Ben Laden explicant que cette attaque combinée de plusieurs avion de transport civil avec pour but de punir les état-unis de leurs exaction à travers le monde et en particulier de leurs exaction en terres musulmanes. Mais à ce moment là, pourquoi viser les civils ? Est-ce que tous les américains sont coupables ? De plus, qu’est-ce que ça signifie d’être américain ? Ensuite, d’autre part, la guerre en Iraq à créé des tensions entre les étasuniens et les français. Chacun accusant l’autre partie de vouloir faire ou de ne pas vouloir faire la guerre pour des raisons économiques tout en prévalant son propre camp de nobles raisons. Les français accusant les étasuniens de vouloir faire la guerre pour des raison personnelles liées particulièrement à l’histoire de la famille Bush, mais aussi pour prendre le controle du pétrole. Officiellement le groupe de la France ne souhaitant pas faire la guerre en dehors du cadre des nations unis afin d’etre dans la certitude de préserrver les droits internationnaux ainsi que les droits de l’Homme. De l’autre coté le groupe des USA accusant les français de ne pas vouloir faire la guerre à cause leurs interêts commerciaux bien établis avec le régime de Sadam Hussein. Et officiellement les USA souhaitant faire la guerre à l’Iraq pour protéger le monde des armes de destruction massive iraquiennes (qui restent encore à trouver) mais aussi pour étendre l’influence de la liberté, de la paix et de la démocratie dans le monde. Ouaw ! Magnifique programme ! Actuellement l’Iraq est plongé dans une guerre civile sanglante, les attentats suicides se multiplient chaque jour dans un pays à feu et à sang : sans commentaire. Arnold Schwartzenegger gouverneur de californie, ce qui parrait halucinant du point de vue français. Les USA le pays qui pollue le plus au monde, la peine de mort … Avec tout ça, beaucoup ont une opinion plutôt négative des USA bien que ce pays continue à fasciner d’autre part. Et donne une impression, vue de l’extérieur d’une certaine homogéneité des USA.  Je souhaitais donc me faire ma propre opinion “de moi-même par moi-même de mes propres yeux”. En parlant directement aux gens.

C’est ce que je vais vous raconter dans mon blog qui est le récit de mon voyage aux Amériques, du Canada au Chili.

Bonne lecture à tous et n’hésitez pas à me laisser des commentaires.

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fin de manifestation à washington D.C.

13août06

Hier des personnes se sont rassemblées devant la maison blanche pour manifester contre l’agression israelienne en territoire libanais. Les manifestants demandaient la dénonciation des attaques par washington. Je suis passé quelques heures après la manifestation devant la maison blanche. Les restes étaient encore présents …. dans les poubelles des panneaux avec les revendications des manifestants. J’ai pris cette photo où on peut voir en premier plan sur la gauche un panneau avec écrit “Wake up America ! Condemn israeli aggression Now”. Ce qui en vieux gaulois signifie à peu près: “réveilles-toi l’amérique ! Condamne les aggressions isreliennes. Maintenant !”. En arrière plan on peut voir la maison blanche illuminée. J’ai pris cette photo car je pense qu’elle illustre bien la manière dont ses revendications vont être traitées. Elles vont finir dans les poubelles des allentours de la maison blanche. Si ce n’est pas déja fait.

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