Supervised Learning in SNN via Reward-Modulated Spike-Timing-Dependent Plasticity for a Target Reaching Vehicle

Spiking neural networks (SNNs) offer many advantages over traditional artificial neural networks (ANNs) such as biological plausibility, fast information processing, and energy efficiency. Although SNNs have been used to solve a variety of control tasks using the Spike-Timing-Dependent Plasticity (STDP) learning rule, existing solutions usually involve hard-coded network architectures solving specific tasks rather than solving different kinds of tasks generally. This results in neglecting one of the biggest advantages of ANNs, i.e., being general-purpose and easy-to-use due to their simple network architecture, which usually consists of an input layer, one or multiple hidden layers and an output layer. This paper addresses the problem by introducing an end-to-end learning approach of spiking neural networks constructed with one hidden layer and reward-modulated Spike-Timing-Dependent Plasticity (R-STDP) synapses in an all-to-all fashion. We use the supervised reward-modulated Spike-Timing-Dependent-Plasticity learning rule to train two different SNN-based sub-controllers to replicate a desired obstacle avoiding and goal approaching behavior, provided by pre-generated datasets. Together they make up a target-reaching controller, which is used to control a simulated mobile robot to reach a target area while avoiding obstacles in its path. We demonstrate the performance and effectiveness of our trained SNNs to achieve target reaching tasks in different unknown scenarios

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

A Survey of Robotics Control Based on Learning-Inspired Spiking Neural Networks

Biological intelligence processes information using impulses or spikes, which makes those living creatures able to perceive and act in the real world exceptionally well and outperform state-of-the-art robots in almost every aspect of life. To make up the deficit, emerging hardware technologies and software knowledge in the fields of neuroscience, electronics, and computer science have made it possible to design biologically realistic robots controlled by spiking neural networks (SNNs), inspired by the mechanism of brains. However, a comprehensive review on controlling robots based on SNNs is still missing. In this paper, we survey the developments of the past decade in the field of spiking neural networks for control tasks, with particular focus on the fast emerging robotics-related applications. We first highlight the primary impetuses of SNN-based robotics tasks in terms of speed, energy efficiency, and computation capabilities. We then classify those SNN-based robotic applications according to different learning rules and explicate those learning rules with their corresponding robotic applications. We also briefly present some existing platforms that offer an interaction between SNNs and robotics simulations for exploration and exploitation. Finally, we conclude our survey with a forecast of future challenges and some associated potential research topics in terms of controlling robots based on SNNs

Spatial Memory in a Spiking Neural Network with Robot Embodiment

Cognitive maps and spatial memory are fundamental paradigms of brain functioning. Here, we present a spiking neural network (SNN) capable of generating an internal representation of the external environment and implementing spatial memory. The SNN initially has a non-specific architecture, which is then shaped by Hebbian-type synaptic plasticity. The network receives stimuli at specific loci, while the memory retrieval operates as a functional SNN response in the form of population bursts. The SNN function is explored through its embodiment in a robot moving in an arena with safe and dangerous zones. We propose a measure of the global network memory using the synaptic vector field approach to validate results and calculate information characteristics, including learning curves. We show that after training, the SNN can effectively control the robot’s cognitive behavior, allowing it to avoid dangerous regions in the arena. However, the learning is not perfect. The robot eventually visits dangerous areas. Such behavior, also observed in animals, enables relearning in time-evolving environments. If a dangerous zone moves into another place, the SNN remaps positive and negative areas, allowing escaping the catastrophic interference phenomenon known for some AI architectures. Thus, the robot adapts to changing world

Functional implications of dopamine D1 vs. D2 receptors: A ‘prepare and select’ model of the striatal direct vs. indirect pathways

AbstractThe functions of the D1- and D2-dopamine receptors in the basal ganglia have remained somewhat enigmatic, with a number of competing theories relating to the interactions of the ‘direct’ and ‘indirect pathways’. Computational models have been good at simulating properties of the system, but are typically divorced from the underlying neural architecture. In this article we propose a new model which re-addresses response selection at the level of the basal ganglia. At the core of this response selection system the D1 DA receptor-expressing striatal pathways ‘prepare’ the set of possible appropriate responses. The D2DR-expressing striatal pathways then shape and ‘select’ from this initial response set framework.This article is part of a Special Issue entitled: Ventral Tegmentum & Dopamine

Domain Adaptation in Unmanned Aerial Vehicles Landing using Reinforcement Learning

Landing an unmanned aerial vehicle (UAV) on a moving platform is a challenging task that often requires exact models of the UAV dynamics, platform characteristics, and environmental conditions. In this thesis, we present and investigate three different machine learning approaches with varying levels of domain knowledge: dynamics randomization, universal policy with system identification, and reinforcement learning with no parameter variation. We first train the policies in simulation, then perform experiments both in simulation, making variations of the system dynamics with wind and friction coefficient, then perform experiments in a real robot system with wind variation. We initially expected that providing more information on environmental characteristics with system identification would improve the outcomes, however, we found that transferring a policy learned in simulation with domain randomization to the real robot system achieves the best result in the real robot and simulation. Although in simulation the universal policy with system identification is faster in some cases. In this thesis, we compare the results of multiple deep reinforcement learning approaches trained in simulation and transferred in robot experiments with the presence of external disturbances. We were able to create a policy to control a UAV completely trained in simulation and transfer to a real system with the presence of external disturbances. In doing so, we evaluate the performance of dynamics randomization and universal policy with system identification. Adviser: Carrick Detweile

Practopoiesis: Or how life fosters a mind

The mind is a biological phenomenon. Thus, biological principles of organization should also be the principles underlying mental operations. Practopoiesis states that the key for achieving intelligence through adaptation is an arrangement in which mechanisms laying a lower level of organization, by their operations and interaction with the environment, enable creation of mechanisms lying at a higher level of organization. When such an organizational advance of a system occurs, it is called a traverse. A case of traverse is when plasticity mechanisms (at a lower level of organization), by their operations, create a neural network anatomy (at a higher level of organization). Another case is the actual production of behavior by that network, whereby the mechanisms of neuronal activity operate to create motor actions. Practopoietic theory explains why the adaptability of a system increases with each increase in the number of traverses. With a larger number of traverses, a system can be relatively small and yet, produce a higher degree of adaptive/intelligent behavior than a system with a lower number of traverses. The present analyses indicate that the two well-known traverses-neural plasticity and neural activity-are not sufficient to explain human mental capabilities. At least one additional traverse is needed, which is named anapoiesis for its contribution in reconstructing knowledge e.g., from long-term memory into working memory. The conclusions bear implications for brain theory, the mind-body explanatory gap, and developments of artificial intelligence technologies.Comment: Revised version in response to reviewer comment

Advances in Reinforcement Learning

Reinforcement Learning (RL) is a very dynamic area in terms of theory and application. This book brings together many different aspects of the current research on several fields associated to RL which has been growing rapidly, producing a wide variety of learning algorithms for different applications. Based on 24 Chapters, it covers a very broad variety of topics in RL and their application in autonomous systems. A set of chapters in this book provide a general overview of RL while other chapters focus mostly on the applications of RL paradigms: Game Theory, Multi-Agent Theory, Robotic, Networking Technologies, Vehicular Navigation, Medicine and Industrial Logistic