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

Robust learning algorithms for spiking and rate-based neural networks

Inspired by the remarkable properties of the human brain, the fields of machine learning, computational neuroscience and neuromorphic engineering have achieved significant synergistic progress in the last decade. Powerful neural network models rooted in machine learning have been proposed as models for neuroscience and for applications in neuromorphic engineering. However, the aspect of robustness is often neglected in these models. Both biological and engineered substrates show diverse imperfections that deteriorate the performance of computation models or even prohibit their implementation. This thesis describes three projects aiming at implementing robust learning with local plasticity rules in neural networks. First, we demonstrate the advantages of neuromorphic computations in a pilot study on a prototype chip. Thereby, we quantify the speed and energy consumption of the system compared to a software simulation and show how on-chip learning contributes to the robustness of learning. Second, we present an implementation of spike-based Bayesian inference on accelerated neuromorphic hardware. The model copes, via learning, with the disruptive effects of the imperfect substrate and benefits from the acceleration. Finally, we present a robust model of deep reinforcement learning using local learning rules. It shows how backpropagation combined with neuromodulation could be implemented in a biologically plausible framework. The results contribute to the pursuit of robust and powerful learning networks for biological and neuromorphic substrates

Signatures of Bayesian inference emerge from energy efficient synapses

Biological synaptic transmission is unreliable, and this unreliability likely degrades neural circuit performance. While there are biophysical mechanisms that can increase reliability, for instance by increasing vesicle release probability, these mechanisms cost energy. We examined four such mechanisms along with the associated scaling of the energetic costs. We then embedded these energetic costs for reliability in artificial neural networks (ANN) with trainable stochastic synapses, and trained these networks on standard image classification tasks. The resulting networks revealed a tradeoff between circuit performance and the energetic cost of synaptic reliability. Additionally, the optimised networks exhibited two testable predictions consistent with pre-existing experimental data. Specifically, synapses with lower variability tended to have 1) higher input firing rates and 2) lower learning rates. Surprisingly, these predictions also arise when synapse statistics are inferred through Bayesian inference. Indeed, we were able to find a formal, theoretical link between the performance-reliability cost tradeoff and Bayesian inference. This connection suggests two incompatible possibilities: evolution may have chanced upon a scheme for implementing Bayesian inference by optimising energy efficiency, or alternatively, energy efficient synapses may display signatures of Bayesian inference without actually using Bayes to reason about uncertainty.Comment: 29 pages, 11 figure

Neuromorphic Engineering Editors' Pick 2021

This collection showcases well-received spontaneous articles from the past couple of years, which have been specially handpicked by our Chief Editors, Profs. André van Schaik and Bernabé Linares-Barranco. The work presented here highlights the broad diversity of research performed across the section and aims to put a spotlight on the main areas of interest. All research presented here displays strong advances in theory, experiment, and methodology with applications to compelling problems. This collection aims to further support Frontiers’ strong community by recognizing highly deserving authors

Harnessing function from form: towards bio-inspired artificial intelligence in neuronal substrates

Despite the recent success of deep learning, the mammalian brain is still unrivaled when it comes to interpreting complex, high-dimensional data streams like visual, auditory and somatosensory stimuli. However, the underlying computational principles allowing the brain to deal with unreliable, high-dimensional and often incomplete data while having a power consumption on the order of a few watt are still mostly unknown. In this work, we investigate how specific functionalities emerge from simple structures observed in the mammalian cortex, and how these might be utilized in non-von Neumann devices like “neuromorphic hardware”. Firstly, we show that an ensemble of deterministic, spiking neural networks can be shaped by a simple, local learning rule to perform sampling-based Bayesian inference. This suggests a coding scheme where spikes (or “action potentials”) represent samples of a posterior distribution, constrained by sensory input, without the need for any source of stochasticity. Secondly, we introduce a top-down framework where neuronal and synaptic dynamics are derived using a least action principle and gradient-based minimization. Combined, neurosynaptic dynamics approximate real-time error backpropagation, mappable to mechanistic components of cortical networks, whose dynamics can again be described within the proposed framework. The presented models narrow the gap between well-defined, functional algorithms and their biophysical implementation, improving our understanding of the computational principles the brain might employ. Furthermore, such models are naturally translated to hardware mimicking the vastly parallel neural structure of the brain, promising a strongly accelerated and energy-efficient implementation of powerful learning and inference algorithms, which we demonstrate for the physical model system “BrainScaleS–1”

A Survey on Reservoir Computing and its Interdisciplinary Applications Beyond Traditional Machine Learning

Reservoir computing (RC), first applied to temporal signal processing, is a recurrent neural network in which neurons are randomly connected. Once initialized, the connection strengths remain unchanged. Such a simple structure turns RC into a non-linear dynamical system that maps low-dimensional inputs into a high-dimensional space. The model's rich dynamics, linear separability, and memory capacity then enable a simple linear readout to generate adequate responses for various applications. RC spans areas far beyond machine learning, since it has been shown that the complex dynamics can be realized in various physical hardware implementations and biological devices. This yields greater flexibility and shorter computation time. Moreover, the neuronal responses triggered by the model's dynamics shed light on understanding brain mechanisms that also exploit similar dynamical processes. While the literature on RC is vast and fragmented, here we conduct a unified review of RC's recent developments from machine learning to physics, biology, and neuroscience. We first review the early RC models, and then survey the state-of-the-art models and their applications. We further introduce studies on modeling the brain's mechanisms by RC. Finally, we offer new perspectives on RC development, including reservoir design, coding frameworks unification, physical RC implementations, and interaction between RC, cognitive neuroscience and evolution.Comment: 51 pages, 19 figures, IEEE Acces