Ответы для преподавателя

Если вы учащийся, сначала решите контрольные вопросы каждого выпуска, а потом сверяйтесь. Здесь приведены критерии оценивания (20 баллов за вопрос, 100 баллов за выпуск) и примеры решений заданий в Colab. Числа в примерах могут немного отличаться в зависимости от среды выполнения.

Выпуск 1

Путешествие по мозгу дрозофилы

Вернуться к совету для преподавателя на странице выпуска 1

Ответы на контрольные вопросы и критерии оценивания

Q1. Каков выход перцептрона с двумя входами (1, 0), весами (0,8, −0,5) и порогом 0,5?

Ответ · Сумма = 1×0,8 + 0×(−0,5) = 0,8. Поскольку 0,8 ≥ 0,5, выход равен 1.

20 баллов · Оценивание: ход вычислений 10, результат 10

Q2. Почему перцептрон не может решить задачу «полосы» (корм только посередине)?

Ответ · Перцептрон разделяет пространство только одной прямой (плоскостью). Полосе нужны две границы — с обеих сторон, поэтому одной прямой её не отделить. Скрытый слой строит несколько границ и объединяет их.

20 баллов · Оценивание: «одна прямая» 10, «нужны две границы» 10

Q3. Точность на обучающих данных 96%, на валидационных 59%. Что произошло? Назовите две меры.

Ответ · Переобучение: модель запомнила обучающие данные. Меры (любые две): собрать больше данных, уменьшить число скрытых нейронов, остановить обучение раньше.

20 баллов · Оценивание: диагноз «переобучение» 10, каждая мера по 5

Q4. Какие связи в «мушином» способе обучаются, а какие фиксированы?

Ответ · Фиксированы: проекционные нейроны → клетки Кеньона (случайные разреженные связи). Обучаются: клетки Кеньона → выходные нейроны (их меняет дофамин).

20 баллов · Оценивание: по 10 за каждую часть

Q5. В коде 2 «мушиный» способ (4 004 обучаемых параметра) дал точность, близкую к MLP (16 708 обучаемых параметров). О чём это говорит?

Ответ · Широкого разреженного фиксированного представления достаточно, чтобы простые задачи с рисунками решались обучением одного выходного слоя. Однако само представление не улучшается, поэтому на сложных задачах есть предел.

20 баллов · Оценивание: «фиксированного представления достаточно» 10, упоминание ограничения 10

Примеры решений заданий в Colab

Базовое

Задание · В коде 1 измените TOP (долю активных клеток) с 0,08 на 0,5, сообщите, как изменятся точность на обучающих данных и число активных клеток Кеньона, и в двух предложениях объясните, чем полезна разреженность.

Пример решения · Если поднять TOP до 0,5, активируется половина клеток Кеньона, и коды разных входов сильно перекрываются. Игрушечные данные простые, поэтому точность на обучающих данных может остаться высокой, но число активных клеток вырастает примерно с 80 до примерно 500, и воспоминания легко смешиваются. Разреженный код использует для каждого входа лишь немногие неперекрывающиеся клетки, поэтому различает даже похожие запахи, а изменение одного воспоминания меньше задевает другие.

Критерии · проверено изменение числа активных клеток (5) · сообщена точность (5) · два преимущества разреженности (меньше перекрытия, меньше интерференции) (10)

Продвинутое

Задание · В коде 2 задайте размер скрытого слоя MLP 8, 64 и 512 и сравните точность на валидационных данных для двух сидов. Объясните, видно ли переобучение, опираясь на кривые обучения (ячейка 7).

Пример решения · С ростом скрытого слоя функция потерь на обучающих данных падает быстрее, но точность на валидационных данных не растёт или колеблется в зависимости от сида. На примере из 160 образцов (96 обучающих) скрытый слой из 512 нейронов легко запоминает обучающие данные. О переобучении судят по моменту на кривых обучения, когда разрыв между потерями на обучении и точностью на валидации начинает расти.

Критерии · таблица: три размера × два сида (8) · обоснование по кривым обучения (6) · интерпретация с учётом объёма данных (6)

Выпуск 2

Статья об извлечении памяти

Вернуться к совету для преподавателя на странице выпуска 2

Ответы на контрольные вопросы и критерии оценивания

Q1. Сформулируйте главный тезис статьи одним предложением.

Ответ · Чтобы воспоминание превратилось в поведение, сигнал памяти, извлечённый в грибовидном теле, должен быть передан нейронам схождения (PD2a1/b1) в латеральном роге.

20 баллов · Оценивание: «грибовидное тело → латеральный рог» 10, «нужен нейрон схождения» 10

Q2. Зачем в эксперименте с отключением нейрона схождения нужна «контрольная группа, где только повышают температуру»?

Ответ · Температура сама по себе может менять поведение, поэтому нужно отличить, упал ли показатель памяти из-за блокировки нейрона или из-за температуры.

20 баллов · Оценивание: цель контроля 20

Q3. В модельной лаборатории формула схождения: 1,0 × инстинкт + 0,6 × память. Чему равно значение схождения при инстинкте = 0,2 и памяти = −1,0? А если заблокировать вход памяти?

Ответ · 0,2 + 0,6 × (−1,0) = −0,4 (в сторону избегания). При блокировке 0,2 (остаётся только инстинкт — в сторону приближения).

20 баллов · Оценивание: по 10 за каждую часть

Q4. Почему при отключении одного нейрона исчезают и извлечение памяти, и тяга к корму?

Ответ · Потому что этот нейрон — общий слой, который получает оба пути (сигнал памяти из грибовидного тела и инстинктивный сигнал от проекционных нейронов запаха корма) и выдаёт их на выход.

20 баллов · Оценивание: понятие «общего» слоя 20

Q5. В коде 2 при блокировке извлечения памяти точность упала с 0,84 до 0,09. Почему именно 0,09?

Ответ · Все значения инстинкта равны 0, поэтому оценки всех классов одинаковы, и модель всегда выбирает первый класс. 0,09 — это доля первого класса в тестовых данных.

20 баллов · Оценивание: «оценки становятся одинаковыми» 10, «доля первого класса» 10

Примеры решений заданий в Colab

Базовое

Задание · В коде 1 замените значение innate на [0.0, 0.5] (инстинкт в сторону избегания), представьте в таблице результаты до обучения, после обучения и при блокировке и сравните случаи, когда инстинкт и память направлены в одну сторону и в противоположные.

Пример решения · При innate = [0.0, 0.5] оценка инстинкта указывает на «избегание» уже до обучения. Обучение с наказанием снижает оценку «приближения» со стороны памяти, поэтому после обучения тоже избегание, а при блокировке входа памяти — избегание за счёт одного инстинкта. В исходной настройке (innate = [0.5, 0.0]) при блокировке поведение возвращалось к приближению. Если инстинкт и память направлены одинаково, блокировка не меняет поведения и вклад памяти не виден; только при противоположных направлениях эксперимент с блокировкой показывает роль памяти.

Критерии · таблица трёх ситуаций (8) · сравнение с исходной настройкой (6) · вывод «видно только при противоположных направлениях» (6)

Продвинутое

Задание · В MemoryInnate из кода 2 задайте значение innate (например, 2.0 для класса «крестик»), обучите модель, затем заблокируйте вход памяти. Сравните матрицы ошибок до и после блокировки и опишите, как инстинкт притягивает решение.

Пример решения · Если задать 2.0 для класса «крестик», во время обучения путь памяти подстраивается так, чтобы компенсировать это притяжение. При блокировке остаётся только инстинкт, и модель принимает большинство рисунков за крестик, так что значения в матрице ошибок скапливаются в столбце «крестик». Важно отметить: инстинкт работает как необучаемое смещение (bias), а память — как поправка поверх него.

Критерии · матрицы ошибок до и после блокировки (8) · объяснение перекоса в столбец «крестик» (6) · интерпретация «смещение + поправка» (6)

Выпуск 3

Мозг дрозофилы в Minecraft

Вернуться к совету для преподавателя на странице выпуска 3

Ответы на контрольные вопросы и критерии оценивания

Q1. Сколько мВ составляет ток g, который добавляет один входной спайк по связи из 30 синапсов? (0,275 мВ × коэффициент усиления 0,65)

Ответ · 30 × 0,275 × 0,65 ≈ 5,36 мВ.

20 баллов · Оценивание: формула 10, значение 10

Q2. Потенциал покоя −52 мВ, порог −45 мВ. Если один спайк поднимает мембранный потенциал примерно на 0,1575 × g, какое g нужно, чтобы нейрон сработал от одного спайка?

Ответ · До порога 7 мВ. 7 / 0,1575 ≈ 44,4 мВ. При коэффициенте усиления 1,0 нужно одновременно около 162 синапсов, при 0,65 — около 249.

20 баллов · Оценивание: расчёт 7 мВ 10, значение g 10

Q3. В сцене «сахар + горечь» мотонейрон хоботка (MN9) молчит (0 Гц), а сладкие нейроны второго порядка активны. На каком этапе происходит торможение?

Ответ · На этапе непосредственно перед моторным. Горький тормоз (Scapula) перекрывает путь команды «есть».

20 баллов · Оценивание: «непосредственно перед моторным» 20

Q4. Что произойдёт в сцене чистки, если поднять коэффициент усиления до 0,75?

Ответ · За 200 мс число спайков за тик вырастает в пять раз, клетки Кеньона просыпаются до 39 Гц, а возникшее торможение выключает даже командные нейроны чистки (разгон активности).

20 баллов · Оценивание: явление разгона 10, отключение команды чистки 10

Q5. В коде 2 модель с фиксированной схемой и спайками при 644 обучаемых связях показала на тесте 0,75–0,81. Как интерпретировать этот результат в сравнении с MLP (16 708 связей, 0,88–0,91)?

Ответ · Обучая лишь около 4% связей, модель угадывает довольно хорошо, но не может обучить само представление, поэтому уступает MLP. Стоит также отметить, что данных мало (32 тестовых примера), так что разница колеблется в пределах ±0,1.

20 баллов · Оценивание: сравнение долей 10, ограничения и неопределённость 10

Примеры решений заданий в Colab

Базовое

Задание · В коде 1 замените коэффициент усиления 0,65 на 0,55 и 0,75, представьте в таблице число сработавших нейронов и среднюю частоту разрядов и в двух предложениях свяжите это с разгоном активности из раздела «Подбор усиления».

Пример решения · При меньшем усилении (0,55) ток от одного входа уменьшается, и число сработавших нейронов и средняя частота разрядов ниже, чем при 0,65; при большем (0,75) — выше. Даже в маленькой сети из кода 1 с ростом усиления разряды, распространяющиеся по обратным связям, быстро нарастают. Во всей нервной системе самца в моде этот рост проявляется как разгон активности (в пять раз больше спайков за тик, клетки Кеньона на 39 Гц), поэтому выбрано 0,65.

Критерии · таблица для трёх значений усиления (8) · объяснение направления роста (6) · связь с разгоном активности (6)

Продвинутое

Задание · В ConnectomeLIF из кода 2 замените знак всех тормозных нейронов (−0.5) на +0.18 (убрать торможение) и обучите заново. Сравните записи спайков (ячейка 8) и точность для двух сидов и опишите, что делает торможение в сети.

Пример решения · Без торможения большинство скрытых нейронов срабатывает чаще и равномернее, и запись спайков становится плотной. Различия в паттернах разрядов для разных входов уменьшаются, у декодирующего слоя остаётся меньше информации для различения, поэтому точность падает или колеблется в зависимости от сида. Торможение ограничивает активность и делает паттерны разреженными и различимыми (ту же роль играет правило «верхние 8% клеток Кеньона» из выпуска 1).

Критерии · сравнение записей спайков (6) · точность для двух сидов (6) · интерпретация роли торможения (8)