尖峰神经网络（SNN）引起了脑启发的人工智能和计算神经科学的广泛关注。它们可用于在多个尺度上模拟大脑中的生物信息处理。更重要的是，SNN是适当的抽象水平，可以将大脑和认知的灵感带入人工智能。在本文中，我们介绍了脑启发的认知智力引擎（Braincog），用于创建脑启发的AI和脑模拟模型。 Braincog将不同类型的尖峰神经元模型，学习规则，大脑区域等作为平台提供的重要模块。基于这些易于使用的模块，BrainCog支持各种受脑启发的认知功能，包括感知和学习，决策，知识表示和推理，运动控制和社会认知。这些受脑启发的AI模型已在各种受监督，无监督和强化学习任务上有效验证，并且可以用来使AI模型具有多种受脑启发的认知功能。为了进行大脑模拟，Braincog实现了决策，工作记忆，神经回路的结构模拟以及小鼠大脑，猕猴大脑和人脑的整个大脑结构模拟的功能模拟。一个名为BORN的AI引擎是基于Braincog开发的，它演示了如何将Braincog的组件集成并用于构建AI模型和应用。为了使科学追求解码生物智能的性质并创建AI，Braincog旨在提供必要且易于使用的构件，并提供基础设施支持，以开发基于脑部的尖峰神经网络AI，并模拟认知大脑在多个尺度上。可以在https://github.com/braincog-x上找到Braincog的在线存储库。

神经形态计算是一个新兴的研究领域，旨在通过整合来自神经科学和深度学习等多学科的理论和技术来开发新的智能系统。当前，已经为相关字段开发了各种软件框架，但是缺乏专门用于基于Spike的计算模型和算法的有效框架。在这项工作中，我们提出了一个基于Python的尖峰神经网络（SNN）模拟和培训框架，又名Spaic，旨在支持脑启发的模型和算法研究，并与深度学习和神经科学的特征集成在一起。为了整合两个压倒性学科的不同方法，以及灵活性和效率之间的平衡，SpaiC设计采用神经科学风格的前端和深度学习后端结构设计。我们提供了广泛的示例，包括神经回路模拟，深入的SNN学习和神经形态应用，展示了简洁的编码样式和框架的广泛可用性。 Spaic是一个专用的基于SPIKE的人工智能计算平台，它将显着促进新模型，理论和应用的设计，原型和验证。具有用户友好，灵活和高性能，它将有助于加快神经形态计算研究的快速增长和广泛的适用性。

人脑中的神经网络如何代表常识性知识，而完整的相关推理任务是神经科学，认知科学，心理学和人工智能的重要研究主题。尽管使用固定长度向量代表符号的传统人工神经网络在某些特定任务中取得了良好的表现，但它仍然是一个黑匣子，缺乏可解释性，远非人类对世界的看法。受神经科学中的祖母细胞假设的启发，这项工作调查了可以将编码和峰值定时依赖性可塑性（STDP）机制的人群整合到峰值神经网络的学习中，以及神经元的人群如何通过指导符号来指导符号在不同的神经元种群之间完成顺序触发。不同社区的神经元种群共同构成了整个常识知识图，形成了巨大的图形尖峰神经网络。此外，我们引入了奖励调节的峰值时间依赖性可塑性（R-STDP）机制，以模拟生物增强学习过程并相应地完成相关推理任务，比图形卷积人工神经网络实现了可比的准确性和更快的收敛速度。对于神经科学和认知科学领域，本文的工作为进一步探索人脑代表常识知识的方式提供了计算建模的基础。对于人工智能领域，本文通过构建常识性知识表示并推理具有固体生物学合理性的尖峰神经网络，指出了实现更健壮和可解释的神经网络的探索方向。

近年来，尖峰神经网络（SNN）由于其丰富的时空动力学，各种编码方法和事件驱动的特征而自然拟合神经形态硬件，因此在脑启发的智能上受到了广泛的关注。随着SNN的发展，受到脑科学成就启发和针对人工通用智能的新兴研究领域的脑力智能变得越来越热。本文回顾了最新进展，并讨论了来自五个主要研究主题的SNN的新领域，包括基本要素（即尖峰神经元模型，编码方法和拓扑结构），神经形态数据集，优化算法，软件，软件和硬件框架。我们希望我们的调查能够帮助研究人员更好地了解SNN，并激发新作品以推进这一领域。

建立一种人类综合人工认知系统，即人工综合情报（AGI），是人工智能（AI）领域的圣杯。此外，实现人工系统实现认知发展的计算模型将是脑和认知科学的优秀参考。本文介绍了一种通过集成元素认知模块来开发认知架构的方法，以实现整个模块的训练。这种方法是基于两个想法：（1）脑激发AI，学习人类脑建筑以构建人类级智能，（2）概率的生成模型（PGM）基础的认知系统，为发展机器人开发认知系统通过整合PGM。发展框架称为全大脑PGM（WB-PGM），其根本地不同于现有的认知架构，因为它可以通过基于感官电机信息的系统不断学习。在这项研究中，我们描述了WB-PGM的基本原理，基于PGM的元素认知模块的当前状态，与人类大脑的关系，对认知模块的整合的方法，以及未来的挑战。我们的研究结果可以作为大脑研究的参考。随着PGMS描述变量之间的明确信息关系，本说明书提供了从计算科学到脑科学的可解释指导。通过提供此类信息，神经科学的研究人员可以向AI和机器人提供的研究人员提供反馈，以及目前模型缺乏对大脑的影响。此外，它可以促进神经认知科学的研究人员以及AI和机器人的合作。

The term ``neuromorphic'' refers to systems that are closely resembling the architecture and/or the dynamics of biological neural networks. Typical examples are novel computer chips designed to mimic the architecture of a biological brain, or sensors that get inspiration from, e.g., the visual or olfactory systems in insects and mammals to acquire information about the environment. This approach is not without ambition as it promises to enable engineered devices able to reproduce the level of performance observed in biological organisms -- the main immediate advantage being the efficient use of scarce resources, which translates into low power requirements. The emphasis on low power and energy efficiency of neuromorphic devices is a perfect match for space applications. Spacecraft -- especially miniaturized ones -- have strict energy constraints as they need to operate in an environment which is scarce with resources and extremely hostile. In this work we present an overview of early attempts made to study a neuromorphic approach in a space context at the European Space Agency's (ESA) Advanced Concepts Team (ACT).

尖峰神经网络（SNN）提供了一个新的计算范式，能够高度平行，实时处理。光子设备是设计与SNN计算范式相匹配的高带宽，平行体系结构的理想选择。 CMO和光子元件的协整允许将低损耗的光子设备与模拟电子设备结合使用，以更大的非线性计算元件的灵活性。因此，我们在整体硅光子学（SIPH）过程上设计和模拟了光电尖峰神经元电路，该过程复制了超出泄漏的集成和火（LIF）之外有用的尖峰行为。此外，我们探索了两种学习算法，具有使用Mach-Zehnder干涉法（MZI）网格作为突触互连的片上学习的潜力。实验证明了随机反向传播（RPB）的变体，并在简单分类任务上与标准线性回归的性能相匹配。同时，将对比性HEBBIAN学习（CHL）规则应用于由MZI网格组成的模拟神经网络，以进行随机输入输出映射任务。受CHL训练的MZI网络的性能比随机猜测更好，但不符合理想神经网络的性能（没有MZI网格施加的约束）。通过这些努力，我们证明了协调的CMO和SIPH技术非常适合可扩展的SNN计算体系结构的设计。

Understanding how biological neural networks carry out learning using spike-based local plasticity mechanisms can lead to the development of powerful, energy-efficient, and adaptive neuromorphic processing systems. A large number of spike-based learning models have recently been proposed following different approaches. However, it is difficult to assess if and how they could be mapped onto neuromorphic hardware, and to compare their features and ease of implementation. To this end, in this survey, we provide a comprehensive overview of representative brain-inspired synaptic plasticity models and mixed-signal CMOS neuromorphic circuits within a unified framework. We review historical, bottom-up, and top-down approaches to modeling synaptic plasticity, and we identify computational primitives that can support low-latency and low-power hardware implementations of spike-based learning rules. We provide a common definition of a locality principle based on pre- and post-synaptic neuron information, which we propose as a fundamental requirement for physical implementations of synaptic plasticity. Based on this principle, we compare the properties of these models within the same framework, and describe the mixed-signal electronic circuits that implement their computing primitives, pointing out how these building blocks enable efficient on-chip and online learning in neuromorphic processing systems.

Many theories, based on neuroscientific and psychological empirical evidence and on computational concepts, have been elaborated to explain the emergence of consciousness in the central nervous system. These theories propose key fundamental mechanisms to explain consciousness, but they only partially connect such mechanisms to the possible functional and adaptive role of consciousness. Recently, some cognitive and neuroscientific models try to solve this gap by linking consciousness to various aspects of goal-directed behaviour, the pivotal cognitive process that allows mammals to flexibly act in challenging environments. Here we propose the Representation Internal-Manipulation (RIM) theory of consciousness, a theory that links the main elements of consciousness theories to components and functions of goal-directed behaviour, ascribing a central role for consciousness to the goal-directed manipulation of internal representations. This manipulation relies on four specific computational operations to perform the flexible internal adaptation of all key elements of goal-directed computation, from the representations of objects to those of goals, actions, and plans. Finally, we propose the concept of `manipulation agency' relating the sense of agency to the internal manipulation of representations. This allows us to propose that the subjective experience of consciousness is associated to the human capacity to generate and control a simulated internal reality that is vividly perceived and felt through the same perceptual and emotional mechanisms used to tackle the external world.

为了在专门的神经形态硬件中进行节能计算，我们提出了尖峰神经编码，这是基于预测性编码理论的人工神经模型家族的实例化。该模型是同类模型，它是通过在“猜测和检查”的永无止境过程中运行的，神经元可以预测彼此的活动值，然后调整自己的活动以做出更好的未来预测。我们系统的互动性，迭代性质非常适合感官流预测的连续时间表述，并且如我们所示，模型的结构产生了局部突触更新规则，可以用来补充或作为在线峰值定位的替代方案依赖的可塑性。在本文中，我们对模型的实例化进行了实例化，该模型包括泄漏的集成和火灾单元。但是，我们系统所在的框架自然可以结合更复杂的神经元，例如Hodgkin-Huxley模型。我们在模式识别方面的实验结果证明了当二进制尖峰列车是通信间通信的主要范式时，模型的潜力。值得注意的是，尖峰神经编码在分类绩效方面具有竞争力，并且在从任务序列中学习时会降低遗忘，从而提供了更经济的，具有生物学上的替代品，可用于流行的人工神经网络。

Emergence of deep neural networks (DNNs) has raised enormous attention towards artificial neural networks (ANNs) once again. They have become the state-of-the-art models and have won different machine learning challenges. Although these networks are inspired by the brain, they lack biological plausibility, and they have structural differences compared to the brain. Spiking neural networks (SNNs) have been around for a long time, and they have been investigated to understand the dynamics of the brain. However, their application in real-world and complicated machine learning tasks were limited. Recently, they have shown great potential in solving such tasks. Due to their energy efficiency and temporal dynamics there are many promises in their future development. In this work, we reviewed the structures and performances of SNNs on image classification tasks. The comparisons illustrate that these networks show great capabilities for more complicated problems. Furthermore, the simple learning rules developed for SNNs, such as STDP and R-STDP, can be a potential alternative to replace the backpropagation algorithm used in DNNs.

尖峰神经网络（SNN）在各种智能场景中都表现出了出色的功能。大多数现有的训练SNN方法基于突触可塑性的概念。但是，在现实的大脑中学习还利用了神经元的内在非突触机制。生物神经元的尖峰阈值是一种关键的固有神经元特征，在毫秒的时间尺度上表现出丰富的动力学，并已被认为是一种促进神经信息处理的基本机制。在这项研究中，我们开发了一种新型的协同学习方法，该方法同时训练SNN中的突触权重和尖峰阈值。经过突触阈值协同学习（STL-SNN）训练的SNN在各种静态和神经形态数据集上的精度明显高于接受两种突触学习（SL）和阈值学习（TL）的单独学习模型（TL）的SNN。在训练过程中，协同学习方法优化了神经阈值，通过适当的触发速率为网络提供稳定的信号传输。进一步的分析表明，STL-SNN对嘈杂的数据是可靠的，并且对深网结构表现出低的能耗。此外，通过引入广义联合决策框架（JDF），可以进一步提高STL-SNN的性能。总体而言，我们的发现表明，突触和内在的非突触机制之间的生物学上合理的协同作用可能为开发高效的SNN学习方法提供了一种有希望的方法。

在过去的几十年中，人工智能领域大大进展，灵感来自生物学和神经科学领域的发现。这项工作的想法是由来自传入和横向/内部联系的人脑中皮质区域的自组织过程的过程启发。在这项工作中，我们开发了一个原始的脑激发神经模型，将自组织地图（SOM）和Hebbian学习在重新参与索马里（RESOM）模型中。该框架应用于多模式分类问题。与基于未经监督的学习的现有方法相比，该模型增强了最先进的结果。这项工作还通过在名为SPARP（自配置3D蜂窝自适应平台）的专用FPGA的平台上的模拟结果和硬件执行，演示了模型的分布式和可扩展性。头皮板可以以模块化方式互连，以支持神经模型的结构。这种统一的软件和硬件方法使得能够缩放处理并允许来自多个模态的信息进行动态合并。硬件板上的部署提供了在多个设备上并行执行的性能结果，通过专用串行链路在每个板之间的通信。由于多模式关联，所提出的统一架构，由RESOM模型和头皮硬件平台组成的精度显着提高，与集中式GPU实现相比，延迟和功耗之间的良好折衷。

脑启发的尖峰神经网络（SNN）已成功应用于许多模式识别域。基于SNN的深层结构在感知任务（例如图像分类，目标检测）中取得了可观的结果。但是，深SNN在加强学习（RL）任务中的应用仍然是一个问题。尽管以前有关于SNN和RL组合的研究，但其中大多数专注于浅网络的机器人控制问题，或使用ANN-SNN转换方法来实施Spiking Spiking Deep Q Network（SDQN）。在这项工作中，我们数学分析了SDQN中尖峰信号特征消失的问题，并提出了一种基于潜在的层归一化（PBLN）方法，以直接训练尖峰尖峰深度Q网络。实验表明，与最先进的ANN-SNN转换方法和其他SDQN作品相比，建议的PBLN Spiking Deep Q Networks（PL-SDQN）在Atari游戏任务上取得了更好的性能。

This chapter sheds light on the synaptic organization of the brain from the perspective of computational neuroscience. It provides an introductory overview on how to account for empirical data in mathematical models, implement them in software, and perform simulations reflecting experiments. This path is demonstrated with respect to four key aspects of synaptic signaling: the connectivity of brain networks, synaptic transmission, synaptic plasticity, and the heterogeneity across synapses. Each step and aspect of the modeling and simulation workflow comes with its own challenges and pitfalls, which are highlighted and addressed in detail.

We propose that in order to harness our understanding of neuroscience toward machine learning, we must first have powerful tools for training brain-like models of learning. Although substantial progress has been made toward understanding the dynamics of learning in the brain, neuroscience-derived models of learning have yet to demonstrate the same performance capabilities as methods in deep learning such as gradient descent. Inspired by the successes of machine learning using gradient descent, we demonstrate that models of neuromodulated synaptic plasticity from neuroscience can be trained in Spiking Neural Networks (SNNs) with a framework of learning to learn through gradient descent to address challenging online learning problems. This framework opens a new path toward developing neuroscience inspired online learning algorithms.

最近的研究表明，卷积神经网络（CNNS）不是图像分类的唯一可行的解决方案。此外，CNN中使用的重量共享和反向验证不对应于预测灵长类动物视觉系统中存在的机制。为了提出更加生物合理的解决方案，我们设计了使用峰值定时依赖性塑性（STDP）和其奖励调制变体（R-STDP）学习规则训练的本地连接的尖峰神经网络（SNN）。使用尖刺神经元和局部连接以及强化学习（RL）将我们带到了所提出的架构中的命名法生物网络。我们的网络由速率编码的输入层组成，后跟局部连接的隐藏层和解码输出层。采用尖峰群体的投票方案进行解码。我们使用Mnist DataSet获取图像分类准确性，并评估我们有益于于不同目标响应的奖励系统的稳健性。

Recent progress in artificial intelligence (AI) has renewed interest in building systems that learn and think like people. Many advances have come from using deep neural networks trained end-to-end in tasks such as object recognition, video games, and board games, achieving performance that equals or even beats humans in some respects. Despite their biological inspiration and performance achievements, these systems differ from human intelligence in crucial ways. We review progress in cognitive science suggesting that truly human-like learning and thinking machines will have to reach beyond current engineering trends in both what they learn, and how they learn it. Specifically, we argue that these machines should (a) build causal models of the world that support explanation and understanding, rather than merely solving pattern recognition problems; (b) ground learning in intuitive theories of physics and psychology, to support and enrich the knowledge that is learned; and (c) harness compositionality and learning-to-learn to rapidly acquire and generalize knowledge to new tasks and situations. We suggest concrete challenges and promising routes towards these goals that can combine the strengths of recent neural network advances with more structured cognitive models.

尽管人工智能模型的进步，神经网络仍然无法实现人的表现，部分原因是由于信息是如何编码，并与人脑处理分歧。在一个人工神经网络（ANN）信息是使用统计方法来表示和处理为拟合函数，使在图像，文本和语音处理处理的结构模式。然而，实质性的变化的数据，例如统计特性，扭转的图像的背景，显着降低性能。在这里，我们提出了一个量子叠加扣球量子机制和现象在大脑中，它能够处理图像背景色的反转激发神经网络（QS-SNN）。的QS-SNN结合量子理论与脑启发从计算的角度来看尖峰神经网络模型，从而产生更鲁棒的性能与传统的人工神经网络模型进行比较，处理嘈杂输入时尤其如此。这里给出的结果将成为今后努力开发大脑启发的人工智能。

预测性编码提供了对皮质功能的潜在统一说明 - 假设大脑的核心功能是最小化有关世界生成模型的预测错误。该理论与贝叶斯大脑框架密切相关，在过去的二十年中，在理论和认知神经科学领域都产生了重大影响。基于经验测试的预测编码的改进和扩展的理论和数学模型，以及评估其在大脑中实施的潜在生物学合理性以及该理论所做的具体神经生理学和心理学预测。尽管存在这种持久的知名度，但仍未对预测编码理论，尤其是该领域的最新发展进行全面回顾。在这里，我们提供了核心数学结构和预测编码的逻辑的全面综述，从而补充了文献中最新的教程。我们还回顾了该框架中的各种经典和最新工作，从可以实施预测性编码的神经生物学现实的微电路到预测性编码和广泛使用的错误算法的重新传播之间的紧密关系，以及对近距离的调查。预测性编码和现代机器学习技术之间的关系。