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皮层能量消耗主要由突触传递主导，其中兴奋性（谷氨酸能）信号传递所需的 ATP 显著多于抑制性（GABA 能）信号传递。然而，现有可训练脉冲神经网络将能耗视为一种不区分突触类型的通用惩罚项。在此，我们将谷氨酸/GABA 之间这一基本的能耗不对称性作为拉格朗日惩罚项嵌入替代梯度学习框架，并利用该框架在 Spiking Heidelberg Digits（SHD）基准数据集上训练一个遵循戴尔定律的循环微回路。由于谷氨酸能突触的代谢成本更高，统一施加于所有权重的单一标量惩罚会自动对兴奋性通路产生更强的梯度压力。我们证明，仅凭这种差异化压力就足以产生三项主要效应。首先，它使网络摆脱未施加惩罚时由抑制主导的次优状态，在提高准确率的同时，将总能耗降至原来的几分之一。其次，它诱导形成一种自发涌现的剪枝层级，其中兴奋性连接率先被移除，而抑制性连接则表现出分级的抗剪枝能力。第三，在惩罚强度适中时，它会主动拓展群体编码的维度。这些结构模式在涵盖五种成本比和十五种结构密度的二维参数扫描中（共 75 种不同条件）均保持稳健。最终，我们的结果表明，无需辅助正则化项或架构先验，仅凭单一的生物物理成本不对称性，就足以在循环脉冲神经网络中组织形成稀疏且具有通路特异性的回路结构。
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皮层能量消耗主要由突触传递主导，其中兴奋性（谷氨酸能）信号传递所需的 ATP 显著多于抑制性（GABA 能）信号传递。然而，现有可训练脉冲神经网络将能耗视为一种不区分突触类型的通用惩罚项。在本研究中，我们将谷氨酸/GABA 这一基本的能耗不对称性作为拉格朗日惩罚项嵌入替代梯度学习框架，并利用该框架在 Spiking Heidelberg Digits（SHD）基准数据集上训练符合戴尔定律的循环微回路。由于谷氨酸能突触的代谢成本更高，对所有权重统一施加的单一标量惩罚会自动对兴奋性通路产生更强的梯度压力。我们证明，仅凭这种差异性压力就足以产生三项主要效应。首先，它使网络摆脱未施加惩罚时由抑制主导的次优状态，在提高准确率的同时，使总能耗降至原来的几分之一。其次，它诱导出一种自发涌现的剪枝层级：兴奋性连接优先被消除，而抑制性连接则表现出分级的抗剪枝能力。第三，在中等惩罚强度下，它会主动扩展群体编码的维度。这些结构模式在涵盖五种成本比和十五种结构密度的二维参数扫描（共 75 种不同条件）中均保持稳健。最终，我们的结果表明，在不借助辅助正则化项或架构先验的情况下，仅一种生物物理成本不对称性，就足以在循环脉冲神经网络中组织形成稀疏且具有通路特异性的回路结构。
利益冲突声明
作者
已声明不存在利益冲突。
已声明的资助方信息
加拿大自然科学与工程研究理事会
，RGPIN-2022-03042
版权
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本预印本依据
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发布于2026年10月15日。
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代谢成本不对称性作为循环脉冲神经网络的结构正则化机制
Roberto
Sotero
，
Jose M
Sanchez-Bornot
bioRxiv
2026.10.09.758141；
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.10.09.758141
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代谢成本不对称性作为循环脉冲神经网络的结构正则化机制
Roberto
Sotero
，
Jose M
Sanchez-Bornot
bioRxiv
2026.10.09.758141；
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.10.09.758141
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关键词：循环脉冲神经网络 · 代谢成本不对称性 · 兴奋性与抑制性突触 · 结构正则化 · 突触剪枝 · 群体编码
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.09.758141v1?rss=1