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

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 closed loop neurobotic system for fine touch sensing

Objective. Fine touch sensing relies on peripheral-to-central neurotransmission of somesthetic percepts, as well as on active motion policies shaping tactile exploration. This paper presents a novel neuroengineering framework for robotic applications based on the multistage processing of fine tactile information in the closed action–perception loop. Approach. The integrated system modules focus on (i) neural coding principles of spatiotemporal spiking patterns at the periphery of the somatosensory pathway, (ii) probabilistic decoding mechanisms mediating cortical-like tactile recognition and (iii) decision-making and low-level motor adaptation underlying active touch sensing. We probed the resulting neural architecture through a Braille reading task. Main results. Our results on the peripheral encoding of primary contact features are consistent with experimental data on human slow-adapting type I mechanoreceptors. They also suggest second-order processing by cuneate neurons may resolve perceptual ambiguities, contributing to a fast and highly performing online discrimination of Braille inputs by a downstream probabilistic decoder. The implemented multilevel adaptive control provides robustness to motion inaccuracy, while making the number of finger accelerations covariate with Braille character complexity. The resulting modulation of fingertip kinematics is coherent with that observed in human Braille readers. Significance. This work provides a basis for the design and implementation of modular neuromimetic systems for fine touch discrimination in robotics

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

Towards Real-World Neurorobotics: Integrated Neuromorphic Visual Attention

Neural Information Processing: 21st International Conference, ICONIP 2014, Kuching, Malaysia, November 3-6, 2014. Proceedings, Part IIINeuromorphic hardware and cognitive robots seem like an obvious fit, yet progress to date has been frustrated by a lack of tangible progress in achieving useful real-world behaviour. System limitations: the simple and usually proprietary nature of neuromorphic and robotic platforms, have often been the fundamental barrier. Here we present an integration of a mature “neuromimetic” chip, SpiNNaker, with the humanoid iCub robot using a direct AER - address-event representation - interface that overcomes the need for complex proprietary protocols by sending information as UDP-encoded spikes over an Ethernet link. Using an existing neural model devised for visual object selection, we enable the robot to perform a real-world task: fixating attention upon a selected stimulus. Results demonstrate the effectiveness of interface and model in being able to control the robot towards stimulus-specific object selection. Using SpiNNaker as an embeddable neuromorphic device illustrates the importance of two design features in a prospective neurorobot: universal configurability that allows the chip to be conformed to the requirements of the robot rather than the other way ’round, and stan- dard interfaces that eliminate difficult low-level issues of connectors, cabling, signal voltages, and protocols. While this study is only a building block towards that goal, the iCub-SpiNNaker system demonstrates a path towards meaningful behaviour in robots controlled by neural network chips