Adaptive Robotic Control Driven by a Versatile Spiking Cerebellar Network

The cerebellum is involved in a large number of different neural processes, especially in associative learning and in fine motor control. To develop a comprehensive theory of sensorimotor learning and control, it is crucial to determine the neural basis of coding and plasticity embedded into the cerebellar neural circuit and how they are translated into behavioral outcomes in learning paradigms. Learning has to be inferred from the interaction of an embodied system with its real environment, and the same cerebellar principles derived from cell physiology have to be able to drive a variety of tasks of different nature, calling for complex timing and movement patterns. We have coupled a realistic cerebellar spiking neural network (SNN) with a real robot and challenged it in multiple diverse sensorimotor tasks. Encoding and decoding strategies based on neuronal firing rates were applied. Adaptive motor control protocols with acquisition and extinction phases have been designed and tested, including an associative Pavlovian task (Eye blinking classical conditioning), a vestibulo-ocular task and a perturbed arm reaching task operating in closed-loop. The SNN processed in real-time mossy fiber inputs as arbitrary contextual signals, irrespective of whether they conveyed a tone, a vestibular stimulus or the position of a limb. A bidirectional long-term plasticity rule implemented at parallel fibers-Purkinje cell synapses modulated the output activity in the deep cerebellar nuclei. In all tasks, the neurorobot learned to adjust timing and gain of the motor responses by tuning its output discharge. It succeeded in reproducing how human biological systems acquire, extinguish and express knowledge of a noisy and changing world. By varying stimuli and perturbations patterns, real-time control robustness and generalizability were validated. The implicit spiking dynamics of the cerebellar model fulfill timing, prediction and learning functions.European Union (Human Brain Project) REALNET FP7-ICT270434 CEREBNET FP7-ITN238686 HBP-60410

Distributed cerebellar plasticity implements generalized multiple-scale memory components in real-robot sensorimotor tasks

The cerebellum plays a crucial role in motor learning and it acts as a predictive controller. Modeling it and embedding it into sensorimotor tasks allows us to create functional links between plasticity mechanisms, neural circuits and behavioral learning. Moreover, if applied to real-time control of a neurorobot, the cerebellar model has to deal with a real noisy and changing environment, thus showing its robustness and effectiveness in learning. A biologically inspired cerebellar model with distributed plasticity, both at cortical and nuclear sites, has been used. Two cerebellum-mediated paradigms have been designed: an associative Pavlovian task and a vestibulo-ocular reflex, with multiple sessions of acquisition and extinction and with different stimuli and perturbation patterns. The cerebellar controller succeeded to generate conditioned responses and finely tuned eye movement compensation, thus reproducing human-like behaviors. Through a productive plasticity transfer from cortical to nuclear sites, the distributed cerebellar controller showed in both tasks the capability to optimize learning on multiple time-scales, to store motor memory and to effectively adapt to dynamic ranges of stimuli.This work was supported by grants of European Union: REALNET (FP7-ICT270434) and Human Brain Project (HBP-604102)

Brain-Inspired Spiking Neural Network Controller for a Neurorobotic Whisker System

It is common for animals to use self-generated movements to actively sense the surrounding environment. For instance, rodents rhythmically move their whiskers to explore the space close to their body. The mouse whisker system has become a standard model for studying active sensing and sensorimotor integration through feedback loops. In this work, we developed a bioinspired spiking neural network model of the sensorimotor peripheral whisker system, modeling trigeminal ganglion, trigeminal nuclei, facial nuclei, and central pattern generator neuronal populations. This network was embedded in a virtual mouse robot, exploiting the Human Brain Project's Neurorobotics Platform, a simulation platform offering a virtual environment to develop and test robots driven by brain-inspired controllers. Eventually, the peripheral whisker system was adequately connected to an adaptive cerebellar network controller. The whole system was able to drive active whisking with learning capability, matching neural correlates of behavior experimentally recorded in mice

Bayesian Integration in a Spiking Neural System for Sensorimotor Control

The brain continuously estimates the state of body and environment, with specific regions that are thought to act as Bayesian estimator, optimally integrating noisy and delayed sensory feedback with sensory predictions generated by the cerebellum. In control theory, Bayesian estimators are usually implemented using high-level representations. In this work, we designed a new spike-based computational model of a Bayesian estimator. The state estimator receives spiking activity from two neural populations encoding the sensory feedback and the cerebellar prediction, and it continuously computes the spike variability within each population as a reliability index of the signal these populations encode. The state estimator output encodes the current state estimate. We simulated a reaching task at different stages of cerebellar learning. The activity of the sensory feedback neurons encoded a noisy version of the trajectory after actual movement, with an almost constant intrapopulation spiking variability. Conversely, the activity of the cerebellar output neurons depended on the phase of the learning process. Before learning, they fired at their baseline not encoding any relevant information, and the variability was set to be higher than that of the sensory feedback (more reliable, albeit delayed). When learning was complete, their activity encoded the trajectory before the actual execution, providing an accurate sensory prediction; in this case, the variability was set to be lower than that of the sensory feedback. The state estimator model optimally integrated the neural activities of the afferent populations, so that the output state estimate was primarily driven by sensory feedback in prelearning and by the cerebellar prediction in postlearning. It was able to deal even with more complex scenarios, for example, by shifting the dominant source during the movement execution if information availability suddenly changed. The proposed tool will be a critical block within integrated spiking, brain-inspired control systems for simulations of sensorimotor tasks

The robot vibrissal system: Understanding mammalian sensorimotor co-ordination through biomimetics

Chapter 10 The Robot Vibrissal System: Understanding Mammalian Sensorimotor Co-ordination Through Biomimetics Tony J. Prescott, Ben Mitchinson, Nathan F. Lepora, Stuart P. Wilson, Sean R. Anderson, John Porrill, Paul Dean, Charles ..

Hardware architectures for neural processing systems for bio-inspired robot control

This PhD Thesis is focussed in the study of spiking neural networks. In this framework the presented work presents different hardware architectures that are implemented in reconfigurable devices (FPGAs). Different approaches are proposed adopting time¬driven or alternatively event-driven processing schemes. The work presents alternative control approaches in the field of robotics and studies computing architectures for the simulation of massive spiking neural networks of millions of neurons processing sensorimotor information in real-time. These proposed approaches have been implemented in two hybrid Hardware/Software platforms with different levels of autonomy of the hardware (stand-alone and co-processing strategy) with respect to the software modules (in a PC as a host computer) that simulated in real-time these large scale networks. In a second stage, this Thesis focuses on experiments with real-robots, as validation methodology of the control neural networks under study. The choice of working with real robots instead of simulated ones in motivated by the difficulty of describing in a realistic way the interaction with the real-world in a simulated framework. Therefore, the work here also adopts the "Embodiment concept" which stresses the necessity of having a physical body as learning mechanism for the knowledge emergence generation. In this field, the Thesis describes two robotic platforms built and adapted for being controlled by spiking neural systems. The obtained results show that imitating in more or less detail the biology is feasible building neural circuits which represent valid alternatives to be considered for control of biomorphic robots with complex physical structures

Modeling the Cerebellar Microcircuit: New Strategies for a Long-Standing Issue

The cerebellar microcircuit has been the work bench for theoretical and computational modeling since the beginning of neuroscientific research. The regular neural architecture of the cerebellum inspired different solutions to the long-standing issue of how its circuitry could control motor learning and coordination. Originally, the cerebellar network was modeled using a statistical-topological approach that was later extended by considering the geometrical organization of local microcircuits. However, with the advancement in anatomical and physiological investigations, new discoveries have revealed an unexpected richness of connections, neuronal dynamics and plasticity, calling for a change in modeling strategies, so as to include the multitude of elementary aspects of the network into an integrated and easily updatable computational framework. Recently, biophysically accurate realistic models using a bottom-up strategy accounted for both detailed connectivity and neuronal non-linear membrane dynamics. In this perspective review, we will consider the state of the art and discuss how these initial efforts could be further improved. Moreover, we will consider how embodied neurorobotic models including spiking cerebellar networks could help explaining the role and interplay of distributed forms of plasticity. We envisage that realistic modeling, combined with closed-loop simulations, will help to capture the essence of cerebellar computations and could eventually be applied to neurological diseases and neurorobotic control systems

A Neurorobotic Embodiment for Exploring the Dynamical Interactions of a Spiking Cerebellar Model and a Robot Arm During Vision-based Manipulation Tasks

While the original goal for developing robots is replacing humans in dangerous and tedious tasks, the final target shall be completely mimicking the human cognitive and motor behaviour. Hence, building detailed computational models for the human brain is one of the reasonable ways to attain this. The cerebellum is one of the key players in our neural system to guarantee dexterous manipulation and coordinated movements as concluded from lesions in that region. Studies suggest that it acts as a forward model providing anticipatory corrections for the sensory signals based on observed discrepancies from the reference values. While most studies consider providing the teaching signal as error in joint-space, few studies consider the error in task-space and even fewer consider the spiking nature of the cerebellum on the cellular-level. In this study, a detailed cellular-level forward cerebellar model is developed, including modeling of Golgi and Basket cells which are usually neglected in previous studies. To preserve the biological features of the cerebellum in the developed model, a hyperparameter optimization method tunes the network accordingly. The efficiency and biological plausibility of the proposed cerebellar-based controller is then demonstrated under different robotic manipulation tasks reproducing motor behaviour observed in human reaching experiments

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