Closed loop interactions between spiking neural network and robotic simulators based on MUSIC and ROS

In order to properly assess the function and computational properties of simulated neural systems, it is necessary to account for the nature of the stimuli that drive the system. However, providing stimuli that are rich and yet both reproducible and amenable to experimental manipulations is technically challenging, and even more so if a closed-loop scenario is required. In this work, we present a novel approach to solve this problem, connecting robotics and neural network simulators. We implement a middleware solution that bridges the Robotic Operating System (ROS) to the Multi-Simulator Coordinator (MUSIC). This enables any robotic and neural simulators that implement the corresponding interfaces to be efficiently coupled, allowing real-time performance for a wide range of configurations. This work extends the toolset available for researchers in both neurorobotics and computational neuroscience, and creates the opportunity to perform closed-loop experiments of arbitrary complexity to address questions in multiple areas, including embodiment, agency, and reinforcement learning

Closing the loop between neural network simulators and the OpenAI Gym

Since the enormous breakthroughs in machine learning over the last decade, functional neural network models are of growing interest for many researchers in the field of computational neuroscience. One major branch of research is concerned with biologically plausible implementations of reinforcement learning, with a variety of different models developed over the recent years. However, most studies in this area are conducted with custom simulation scripts and manually implemented tasks. This makes it hard for other researchers to reproduce and build upon previous work and nearly impossible to compare the performance of different learning architectures. In this work, we present a novel approach to solve this problem, connecting benchmark tools from the field of machine learning and state-of-the-art neural network simulators from computational neuroscience. This toolchain enables researchers in both fields to make use of well-tested high-performance simulation software supporting biologically plausible neuron, synapse and network models and allows them to evaluate and compare their approach on the basis of standardized environments of varying complexity. We demonstrate the functionality of the toolchain by implementing a neuronal actor-critic architecture for reinforcement learning in the NEST simulator and successfully training it on two different environments from the OpenAI Gym

Connecting Artificial Brains to Robots in a Comprehensive Simulation Framework: The Neurorobotics Platform

Combined efforts in the fields of neuroscience, computer science, and biology allowed to design biologically realistic models of the brain based on spiking neural networks. For a proper validation of these models, an embodiment in a dynamic and rich sensory environment, where the model is exposed to a realistic sensory-motor task, is needed. Due to the complexity of these brain models that, at the current stage, cannot deal with real-time constraints, it is not possible to embed them into a real-world task. Rather, the embodiment has to be simulated as well. While adequate tools exist to simulate either complex neural networks or robots and their environments, there is so far no tool that allows to easily establish a communication between brain and body models. The Neurorobotics Platform is a new web-based environment that aims to fill this gap by offering scientists and technology developers a software infrastructure allowing them to connect brain models to detailed simulations of robot bodies and environments and to use the resulting neurorobotic systems for in silico experimentation. In order to simplify the workflow and reduce the level of the required programming skills, the platform provides editors for the specification of experimental sequences and conditions, environments, robots, and brain–body connectors. In addition to that, a variety of existing robots and environments are provided. This work presents the architecture of the first release of the Neurorobotics Platform developed in subproject 10 “Neurorobotics” of the Human Brain Project (HBP).1 At the current state, the Neurorobotics Platform allows researchers to design and run basic experiments in neurorobotics using simulated robots and simulated environments linked to simplified versions of brain models. We illustrate the capabilities of the platform with three example experiments: a Braitenberg task implemented on a mobile robot, a sensory-motor learning task based on a robotic controller, and a visual tracking embedding a retina model on the iCub humanoid robot. These use-cases allow to assess the applicability of the Neurorobotics Platform for robotic tasks as well as in neuroscientific experiments.The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement no. 604102 (Human Brain Project) and from the European Unions Horizon 2020 Research and Innovation Programme under Grant Agreement No. 720270 (HBP SGA1)

Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht

Learning Autonomous Flight Controllers with Spiking Neural Networks

The ability of a robot to adapt in-mission to achieve an assigned goal is highly desirable. This thesis project places an emphasis on employing learning-based intelligent control methodologies to the development and implementation of an autonomous unmanned aerial vehicle (UAV). Flight control is carried out by evolving spiking neural networks (SNNs) with Hebbian plasticity. The proposed implementation is capable of learning and self-adaptation to model variations and uncertainties when the controller learned in simulation is deployed on a physical platform. Controller development for small multicopters often relies on simulations as an intermediate step, providing cheap, parallelisable, observable and reproducible optimisation with no risk of damage to hardware. Although model-based approaches have been widely utilised in the process of development, loss of performance can be observed on the target platform due to simplification of system dynamics in simulation (e.g., aerodynamics, servo dynamics, sensor uncertainties). Ignorance of these effects in simulation can significantly deteriorate performance when the controller is deployed. Previous approaches often require mathematical or simulation models with a high level of accuracy which can be difficult to obtain. This thesis, on the other hand, attempts to cross the reality gap between a low-fidelity simulation and the real platform. This is done using synaptic plasticity to adapt the SNN controller evolved in simulation to the actual UAV dynamics. The primary contribution of this work is the implementation of a procedural methodology for SNN control that integrates bioinspired learning mechanisms with artificial evolution, with an SNN library package (i.e. eSpinn) developed by the author. Distinct from existing SNN simulators that mainly focus on large-scale neuron interactions and learning mechanisms from a neuroscience perspective, the eSpinn library draws particular attention to embedded implementations on hardware that is applicable for problems in the robotic domain. This C++ software package is not only able to support simulations in the MATLAB and Python environment, allowing rapid prototyping and validation in simulation; but also capable of seamless transition between simulation and deployment on the embedded platforms. This work implements a modified version of the NEAT neuroevolution algorithm and leverages the power of evolutionary computation to discover functional controller compositions and optimise plasticity mechanisms for online adaptation. With the eSpinn software package the development of spiking neurocontrollers for all degrees of freedom of the UAV is demonstrated in simulation. Plastic height control is carried out on a physical hexacopter platform. Through a set of experiments it is shown that the evolved plastic controller can maintain its functionality by self-adapting to model changes and uncertainties that take place after evolutionary training, and consequently exhibit better performance than its non-plastic counterpart