"Going back to our roots": second generation biocomputing

Researchers in the field of biocomputing have, for many years, successfully "harvested and exploited" the natural world for inspiration in developing systems that are robust, adaptable and capable of generating novel and even "creative" solutions to human-defined problems. However, in this position paper we argue that the time has now come for a reassessment of how we exploit biology to generate new computational systems. Previous solutions (the "first generation" of biocomputing techniques), whilst reasonably effective, are crude analogues of actual biological systems. We believe that a new, inherently inter-disciplinary approach is needed for the development of the emerging "second generation" of bio-inspired methods. This new modus operandi will require much closer interaction between the engineering and life sciences communities, as well as a bidirectional flow of concepts, applications and expertise. We support our argument by examining, in this new light, three existing areas of biocomputing (genetic programming, artificial immune systems and evolvable hardware), as well as an emerging area (natural genetic engineering) which may provide useful pointers as to the way forward.Comment: Submitted to the International Journal of Unconventional Computin

Consciousness as Recursive, Spatiotemporal Self-Location

At the phenomenal level, consciousness arises in a consistently coherent fashion as a singular, unified field of recursive self-awareness (subjectivity) with explicitly orientational characteristics—that of a subject located both spatially and temporally in an egocentrically-extended domain. Understanding these twin elements of consciousness begins with the recognition that ultimately (and most primitively), cognitive systems serve the biological self-regulatory regime in which they subsist. The psychological structures supporting self-located subjectivity involve an evolutionary elaboration of the two basic elements necessary for extending self-regulation into behavioral interaction with the environment: an orientative reference frame which consistently structures ongoing interaction in terms of controllable spatiotemporal parameters, and processing architecture that relates behavior to homeostatic needs via feedback. Over time, constant evolutionary pressures for energy efficiency have encouraged the emergence of anticipative feedforward processing mechanisms, and the elaboration, at the apex of the sensorimotor processing hierarchy, of self-activating, highly attenuated recursively-feedforward circuitry processing the basic orientational schema independent of external action output. As the primary reference frame of active waking cognition, this recursive self-locational schema processing generates a zone of subjective self-awareness in terms of which it feels like something to be oneself here and now. This is consciousness-as-subjectivity

Hierarchical Associative Memory Based on Oscillatory Neural Network

In this thesis we explore algorithms and develop architectures based on emerging nano-device technologies for cognitive computing tasks such as recognition, classification, and vision. In particular we focus on pattern matching in high dimensional vector spaces to address the nearest neighbor search problem. Recent progress in nanotechnology provides us novel nano-devices with special nonlinear response characteristics that fit cognitive tasks better than general purpose computing. We build an associative memory (AM) by weakly coupling nano-oscillators as an oscillatory neural network and design a hierarchical tree structure to organize groups of AM units. For hierarchical recognition, we first examine an architecture where image patterns are partitioned into different receptive fields and processed by individual AM units in lower levels, and then abstracted using sparse coding techniques for recognition at higher levels. A second tree structure model is developed as a more scalable AM architecture for large data sets. In this model, patterns are classified by hierarchical k-means clustering and organized in hierarchical clusters. Then the recognition process is done by comparison between the input patterns and centroids identified in the clustering process. The tree is explored in a "depth-only" manner until the closest image pattern is output. We also extend this search technique to incorporate a branch-and-bound algorithm. The models and corresponding algorithms are tested on two standard face recognition data-sets. We show that the depth-only hierarchical model is very data-set dependent and performs with 97% or 67% recognition when compared to a single large associative memory, while the branch and bound search increases time by only a factor of two compared to the depth-only search

Creativity and the Brain

Neurocognitive approach to higher cognitive functions that bridges the gap between psychological and neural level of description is introduced. Relevant facts about the brain, working memory and representation of symbols in the brain are summarized. Putative brain processes responsible for problem solving, intuition, skill learning and automatization are described. The role of non-dominant brain hemisphere in solving problems requiring insight is conjectured. Two factors seem to be essential for creativity: imagination constrained by experience, and filtering that selects most interesting solutions. Experiments with paired words association are analyzed in details and evidence for stochastic resonance effects is found. Brain activity in the process of invention of novel words is proposed as the simplest way to understand creativity using experimental and computational means. Perspectives on computational models of creativity are discussed

The role of prediction and outcomes in adaptive cognitive control

Humans adaptively perform actions to achieve their goals. This flexible behaviour requires two core abilities: the ability to anticipate the outcomes of candidate actions and the ability to select and implement actions in a goal-directed manner. The ability to predict outcomes has been extensively researched in reinforcement learning paradigms, but this work has often focused on simple actions that are not embedded in hierarchical and sequential structures that are characteristic of goal-directed human behaviour. On the other hand, the ability to select actions in accordance with high-level task goals, particularly in the presence of alternative responses and salient distractors, has been widely researched in cognitive control paradigms. Cognitive control research, however, has often paid less attention to the role of action outcomes. The present review attempts to bridge these accounts by proposing an outcome-guided mechanism for selection of extended actions. Our proposal builds on constructs from the hierarchical reinforcement learning literature, which emphasises the concept of reaching and evaluating informative states, i.e., states that constitute subgoals in complex actions. We develop an account of the neural mechanisms that allow outcome-guided action selection to be achieved in a network that relies on projections from cortical areas to the basal ganglia and back-projections from the basal ganglia to the cortex. These cortico-basal ganglia-thalamo-cortical ‘loops’ allow convergence – and thus integration – of information from non-adjacent cortical areas (for example between sensory and motor representations). This integration is essential in action sequences, for which achieving an anticipated sensory state signals the successful completion of an action. We further describe how projection pathways within the basal ganglia allow selection between representations, which may pertain to movements, actions, or extended action plans. The model lastly envisages a role for hierarchical projections from the striatum to dopaminergic midbrain areas that enable more rostral frontal areas to bias the selection of inputs from more posterior frontal areas via their respective representations in the basal ganglia.This work is supported by the Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) Grant BB/I019847/1, awarded to NY and FW

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen