Vector Symbolic Finite State Machines in Attractor Neural Networks

Hopfield attractor networks are robust distributed models of human memory. We propose construction rules such that an attractor network may implement an arbitrary finite state machine (FSM), where states and stimuli are represented by high-dimensional random bipolar vectors, and all state transitions are enacted by the attractor network's dynamics. Numerical simulations show the capacity of the model, in terms of the maximum size of implementable FSM, to be linear in the size of the attractor network. We show that the model is robust to imprecise and noisy weights, and so a prime candidate for implementation with high-density but unreliable devices. By endowing attractor networks with the ability to emulate arbitrary FSMs, we propose a plausible path by which FSMs may exist as a distributed computational primitive in biological neural networks

Toward a formal theory for computing machines made out of whatever physics offers: extended version

Approaching limitations of digital computing technologies have spurred research in neuromorphic and other unconventional approaches to computing. Here we argue that if we want to systematically engineer computing systems that are based on unconventional physical effects, we need guidance from a formal theory that is different from the symbolic-algorithmic theory of today's computer science textbooks. We propose a general strategy for developing such a theory, and within that general view, a specific approach that we call "fluent computing". In contrast to Turing, who modeled computing processes from a top-down perspective as symbolic reasoning, we adopt the scientific paradigm of physics and model physical computing systems bottom-up by formalizing what can ultimately be measured in any physical substrate. This leads to an understanding of computing as the structuring of processes, while classical models of computing systems describe the processing of structures.Comment: 76 pages. This is an extended version of a perspective article with the same title that will appear in Nature Communications soon after this manuscript goes public on arxi

A Review of Findings from Neuroscience and Cognitive Psychology as Possible Inspiration for the Path to Artificial General Intelligence

This review aims to contribute to the quest for artificial general intelligence by examining neuroscience and cognitive psychology methods for potential inspiration. Despite the impressive advancements achieved by deep learning models in various domains, they still have shortcomings in abstract reasoning and causal understanding. Such capabilities should be ultimately integrated into artificial intelligence systems in order to surpass data-driven limitations and support decision making in a way more similar to human intelligence. This work is a vertical review that attempts a wide-ranging exploration of brain function, spanning from lower-level biological neurons, spiking neural networks, and neuronal ensembles to higher-level concepts such as brain anatomy, vector symbolic architectures, cognitive and categorization models, and cognitive architectures. The hope is that these concepts may offer insights for solutions in artificial general intelligence.Comment: 143 pages, 49 figures, 244 reference

Optimisation de réseaux de neurones à décharges avec contraintes matérielles pour processeur neuromorphique

Les modèles informatiques basés sur l'apprentissage machine ont démarré la seconde révolution de l'intelligence artificielle. Capables d'atteindre des performances que l'on crut inimaginables au préalable, ces modèles semblent devenir partie courante dans plusieurs domaines. La face cachée de ceux-ci est que l'énergie consommée pour l'apprentissage, et l'utilisation de ces techniques, est colossale. La dernière décennie a été marquée par l'arrivée de plusieurs processeurs neuromorphiques pouvant simuler des réseaux de neurones avec une faible consommation d'énergie. Ces processeurs offrent une alternative aux conventionnelles cartes graphiques qui demeurent à ce jour essentielles au domaine. Ces processeurs sont capables de réduire la consommation d'énergie en utilisant un modèle de neurone événementiel, plus communément appelé neurone à décharge. Ce type de neurone est fondamentalement différent du modèle classique, et possède un aspect temporel important. Les méthodes, algorithmes et outils développés pour le modèle de neurone classique ne sont pas adaptés aux neurones à décharges. Cette thèse de doctorat décrit plusieurs approches fondamentales, dédiées à la création de processeurs neuromorphiques analogiques, qui permettent de pallier l'écart existant entre les systèmes à base de neurones conventionnels et à décharges. Dans un premier temps, nous présentons une nouvelle règle de plasticité synaptique permettant l'apprentissage non supervisé des réseaux de neurones récurrents utilisant ce nouveau type de neurone. Puis, nous proposons deux nouvelles méthodes pour la conception des topologies de ce même type de réseau. Finalement, nous améliorons les techniques d'apprentissage supervisé en augmentant la capacité de mémoire de réseaux récurrents. Les éléments de cette thèse marient l'inspiration biologique du cerveau, l'ingénierie neuromorphique et l'informatique fondamentale pour permettre d'optimiser les réseaux de neurones pouvant fonctionner sur des processeurs neuromorphiques analogiques