Synaptic plasticity allows cortical circuits to learn new tasks and to adapt to changing environments. How do cortical circuits use plasticity to acquire functions such as decision-making or working memory? Neurons are connected in complex ways, forming recurrent neural networks, and learning modifies the strength of their connections. Moreover, neurons communicate emitting brief discrete electric signals. Here we describe how to train recurrent neural networks in tasks like those used to train animals in neuroscience laboratories, and how computations emerge in the trained networks. Surprisingly, artificial networks and real brains can use similar computational strategies.

在本文中，我们通过神经生成编码的神经认知计算框架（NGC）提出了一种无反向传播的方法，以机器人控制（NGC），设计了一种完全由强大的预测性编码/处理电路构建的代理，体现计划的原则。具体而言，我们制作了一种自适应剂系统，我们称之为主动预测性编码（ACTPC），该系统可以平衡内部生成的认知信号（旨在鼓励智能探索）与内部生成的仪器信号（旨在鼓励寻求目标行为）最终学习如何使用现实的机器人模拟器（即超现实的机器人套件）来控制各种模拟机器人系统以及复杂的机器人臂，以解决块提升任务并可能选择问题。值得注意的是，我们的实验结果表明，我们提出的ACTPC代理在面对稀疏（外部）奖励信号方面表现良好，并且具有竞争力或竞争性或胜过几种强大的基于反向Prop的RL方法。

由于数据量增加，金融业的快速变化已经彻底改变了数据处理和数据分析的技术，并带来了新的理论和计算挑战。与古典随机控制理论和解决财务决策问题的其他分析方法相比，解决模型假设的财务决策问题，强化学习（RL）的新发展能够充分利用具有更少模型假设的大量财务数据并改善复杂的金融环境中的决策。该调查纸目的旨在审查最近的资金途径的发展和使用RL方法。我们介绍了马尔可夫决策过程，这是许多常用的RL方法的设置。然后引入各种算法，重点介绍不需要任何模型假设的基于价值和基于策略的方法。连接是用神经网络进行的，以扩展框架以包含深的RL算法。我们的调查通过讨论了这些RL算法在金融中各种决策问题中的应用，包括最佳执行，投资组合优化，期权定价和对冲，市场制作，智能订单路由和Robo-Awaring。

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。

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.

经常性神经网络（RNN）经常用于建模脑功能和结构的方面。在这项工作中，我们培训了小型完全连接的RNN，以具有时变刺激的时间和流量控制任务。我们的结果表明，不同的RNN可以通过对不同的底层动态进行不同的RNN来解决相同的任务，并且优雅地降低的性能随着网络尺寸而降低，间隔持续时间增加，或者连接损坏。我们的结果对于量化通常用作黑匣子的模型的不同方面是有用的，并且需要预先理解以建模脑皮质区域的生物反应。

可以通过将奖励信号均匀地广播到实现增强学习规则的单元来训练人工神经网络。虽然这提出了一种生物合理的替代培训网络，但与其培训深网络的高方差使其变得不切实际。高方差来自低效结构信用分配，因为单个奖励信号用于评估所有单位的集体动作。为了促进结构性信用分配，我们建议将奖励信号替换为隐藏的单位，随着单位传出权重的$ ^ 2 $常态的变化。因此，网络中的每个隐藏单元都在尝试最大化其传出权重的规范而不是全球奖励，因此我们调用此学习方法\ EMPH {重量最大化}。我们证明了重量最大化大致遵循期望奖励的梯度。与Backpropagation相比，重量最大化可用于培训连续值和离散值的单位。此外，重量最大化解决了与生物合理性有关的若干重大问题。我们的实验表明，用重量最大化训练的网络可以比加强和略微慢于背部慢化来学习比较快。重量最大化说明了在没有任何中央协调的竞争游戏中自动出现的合作行为的一个例子。

错误 - 背面范围（BackProp）算法仍然是人工神经网络中信用分配问题的最常见解决方案。在神经科学中，尚不清楚大脑是否可以采用类似的策略来纠正其突触。最近的模型试图弥合这一差距，同时与一系列实验观察一致。但是，这些模型要么无法有效地跨多层返回误差信号，要么需要多相学习过程，它们都不让人想起大脑中的学习。在这里，我们介绍了一种新模型，破裂的皮质皮质网络（BUSTCCN），该网络通过整合了皮质网络的已知特性，即爆发活动，短期可塑性（STP）和dendrite-target-targeting Interneurons来解决这些问题。 BUSTCCN依赖于连接型特异性STP的突发多路复用来传播深层皮质网络中的反向Prop样误差信号。这些误差信号是在远端树突上编码的，由于兴奋性抑制性抑制性倒入输入而诱导爆发依赖性可塑性。首先，我们证明我们的模型可以使用单相学习过程有效地通过多层回溯错误。接下来，我们通过经验和分析表明，在我们的模型中学习近似反向推广的梯度。最后，我们证明我们的模型能够学习复杂的图像分类任务（MNIST和CIFAR-10）。总体而言，我们的结果表明，跨细胞，细胞，微电路和系统水平的皮质特征共同基于大脑中的单相有效深度学习。

动物行为是由与不同控制策略并行工作的多个大脑区域驱动的。我们提出了基础神经节中损失钢筋学习的生物学上合理的模型，该模型可以在这种建筑中学习。该模型说明了与动作相关的多巴胺活动调制，该调制不是由实现政策算法的以前模型捕获的。特别是，该模型预测，多巴胺活动标志着奖励预测误差（如经典模型）和“动作惊喜”的组合，这是对动作相对于基础神经节的当前政策的意外程度的衡量标准。在存在动作惊喜项的情况下，该模型实现了Q学习的近似形式。在基准导航和达到任务上，我们从经验上表明，该模型能够完全或部分由其他策略（例如其他大脑区域）学习。相比之下，没有动作惊喜术语的模型在存在其他政策的情况下遭受了损失，并且根本无法从完全由外部驱动的行为中学习。该模型为多巴胺活性提供了许多实验发现，提供了一个计算说明，这是基础神经节中的经典增强模型无法解释的。这些包括背侧和腹侧纹状体中不同水平的动作惊喜信号，通过实践减少了运动调节的多巴胺活性的量以及多巴胺活性的动作起始和运动学的表示。它还提供了进一步的预测，可以通过纹状体多巴胺活性的记录进行测试。

尽管对生物学上合理的学习规则进行了广泛的理论工作，但很难获得有关大脑中是否以及如何实施此类规则的明确证据。我们考虑在生物学上合理的监督和加强学习规则，并询问学习过程中网络活动的变化是否可以用于确定正在使用哪种学习规则。有监督的学习需要一个信用分配模型来估计从神经活动到行为的映射，并且在生物生物体中，该模型将不可避免地是理想映射的不完善的近似，从而导致相对于重量更新的偏见真正的梯度。另一方面，强化学习不需要信用分配模型，并且倾向于按照真正的梯度方向进行体重更新。我们得出一个指标，通过观察学习过程中网络活动的变化来区分学习规则，鉴于实验者已经知道了从大脑到行为的映射。由于脑机界面（BMI）实验允许对该映射进行完美了解，因此我们专注于使用复发性神经网络对光标控制BMI任务进行建模，这表明可以在模拟实验中使用神经科学实验者将在模拟实验中进行区分，以区分学习规则。合理地可以访问。

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。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

在人类中，感知意识促进了来自感官输入的快速识别和提取信息。这种意识在很大程度上取决于人类代理人如何与环境相互作用。在这项工作中，我们提出了主动神经生成编码，用于学习动作驱动的生成模型的计算框架，而不会在动态环境中反正出错误（Backprop）。具体而言，我们开发了一种智能代理，即使具有稀疏奖励，也可以从规划的认知理论中汲取灵感。我们展示了我们框架与深度Q学习竞争力的几个简单的控制问题。我们的代理的强劲表现提供了有希望的证据，即神经推断和学习的无背方法可以推动目标定向行为。

The spectacular successes of recurrent neural network models where key parameters are adjusted via backpropagation-based gradient descent have inspired much thought as to how biological neuronal networks might solve the corresponding synaptic credit assignment problem. There is so far little agreement, however, as to how biological networks could implement the necessary backpropagation through time, given widely recognized constraints of biological synaptic network signaling architectures. Here, we propose that extra-synaptic diffusion of local neuromodulators such as neuropeptides may afford an effective mode of backpropagation lying within the bounds of biological plausibility. Going beyond existing temporal truncation-based gradient approximations, our approximate gradient-based update rule, ModProp, propagates credit information through arbitrary time steps. ModProp suggests that modulatory signals can act on receiving cells by convolving their eligibility traces via causal, time-invariant and synapse-type-specific filter taps. Our mathematical analysis of ModProp learning, together with simulation results on benchmark temporal tasks, demonstrate the advantage of ModProp over existing biologically-plausible temporal credit assignment rules. These results suggest a potential neuronal mechanism for signaling credit information related to recurrent interactions over a longer time horizon. Finally, we derive an in-silico implementation of ModProp that could serve as a low-complexity and causal alternative to backpropagation through time.

Models of sensory processing and learning in the cortex need to efficiently assign credit to synapses in all areas. In deep learning, a known solution is error backpropagation, which however requires biologically implausible weight transport from feed-forward to feedback paths. We introduce Phaseless Alignment Learning (PAL), a bio-plausible method to learn efficient feedback weights in layered cortical hierarchies. This is achieved by exploiting the noise naturally found in biophysical systems as an additional carrier of information. In our dynamical system, all weights are learned simultaneously with always-on plasticity and using only information locally available to the synapses. Our method is completely phase-free (no forward and backward passes or phased learning) and allows for efficient error propagation across multi-layer cortical hierarchies, while maintaining biologically plausible signal transport and learning. Our method is applicable to a wide class of models and improves on previously known biologically plausible ways of credit assignment: compared to random synaptic feedback, it can solve complex tasks with less neurons and learn more useful latent representations. We demonstrate this on various classification tasks using a cortical microcircuit model with prospective coding.

强化学习（RL）和脑电脑接口（BCI）是过去十年一直在增长的两个领域。直到最近，这些字段彼此独立操作。随着对循环（HITL）应用的兴趣升高，RL算法已经适用于人类指导，从而产生互动强化学习（IRL）的子领域。相邻的，BCI应用一直很感兴趣在人机交互期间从神经活动中提取内在反馈。这两个想法通过将BCI集成到IRL框架中，将RL和BCI设置在碰撞过程中，通过将内在反馈可用于帮助培训代理商来帮助框架。这种交叉点被称为内在的IRL。为了进一步帮助，促进BCI和IRL的更深层次，我们对内在IRILL的审查有着重点在于其母体领域的反馈驱动的IRL，同时还提供有关有效性，挑战和未来研究方向的讨论。

近年来，机器学习的巨大进步已经开始对许多科学和技术的许多领域产生重大影响。在本文的文章中，我们探讨了量子技术如何从这项革命中受益。我们在说明性示例中展示了过去几年的科学家如何开始使用机器学习和更广泛的人工智能方法来分析量子测量，估计量子设备的参数，发现新的量子实验设置，协议和反馈策略，以及反馈策略，以及通常改善量子计算，量子通信和量子模拟的各个方面。我们重点介绍了公开挑战和未来的可能性，并在未来十年的一些投机愿景下得出结论。

深度强化学习已经证明了通过梯度下降调整的神经网络的潜力，以解决良好的环境中的复杂任务。但是，这些神经系统是缓慢的学习者，生产专门的药物，没有任何机制，无法继续学习培训课程。相反，生物突触可塑性是持久和多种多样的，并被认为在执行功能中起关键作用，例如工作记忆和认知灵活性，可能支持更高效和更通用的学习能力。受此启发的启发，我们建议建立具有动态权重的网络，能够不断执行自反射修改，这是其当前突触状态和动作奖励反馈的函数，而不是固定的网络配置。最终的模型，Metods（用于元优化的动力突触）是一种广泛适用的元强制学习系统，能够在代理策略空间中学习有效而强大的控制规则。具有动态突触的单层可以执行单次学习，将导航原则概括为看不见的环境，并表现出强大的学习自适应运动策略的能力，并与以前的元强化学习方法进行了比较。

Deep reinforcement learning is poised to revolutionise the field of AI and represents a step towards building autonomous systems with a higher level understanding of the visual world. Currently, deep learning is enabling reinforcement learning to scale to problems that were previously intractable, such as learning to play video games directly from pixels. Deep reinforcement learning algorithms are also applied to robotics, allowing control policies for robots to be learned directly from camera inputs in the real world. In this survey, we begin with an introduction to the general field of reinforcement learning, then progress to the main streams of value-based and policybased methods. Our survey will cover central algorithms in deep reinforcement learning, including the deep Q-network, trust region policy optimisation, and asynchronous advantage actor-critic. In parallel, we highlight the unique advantages of deep neural networks, focusing on visual understanding via reinforcement learning. To conclude, we describe several current areas of research within the field.

Adequately assigning credit to actions for future outcomes based on their contributions is a long-standing open challenge in Reinforcement Learning. The assumptions of the most commonly used credit assignment method are disadvantageous in tasks where the effects of decisions are not immediately evident. Furthermore, this method can only evaluate actions that have been selected by the agent, making it highly inefficient. Still, no alternative methods have been widely adopted in the field. Hindsight Credit Assignment is a promising, but still unexplored candidate, which aims to solve the problems of both long-term and counterfactual credit assignment. In this thesis, we empirically investigate Hindsight Credit Assignment to identify its main benefits, and key points to improve. Then, we apply it to factored state representations, and in particular to state representations based on the causal structure of the environment. In this setting, we propose a variant of Hindsight Credit Assignment that effectively exploits a given causal structure. We show that our modification greatly decreases the workload of Hindsight Credit Assignment, making it more efficient and enabling it to outperform the baseline credit assignment method on various tasks. This opens the way to other methods based on given or learned causal structures.