由于深度神经网络（DNN）是强大的函数近似器，因此在机器人控制任务上已经很好地证明了深度强化学习（DRL）。与带有香草人工神经元的DNN相比，生物学上合理的尖峰神经网络（SNN）包含多种尖峰神经元的种群，使其在具有空间和时间信息的状态代表方面具有自然性。基于混合学习框架，Spike Actor-Network侵犯了来自州的行动，而深层评论家网络评估了演员，我们提出了人口编码和动态神经元改进了Spiking Actor网络（PDSAN），以从两种不同的状态表示量表：输入编码和神经元编码。对于输入编码，我们将人口编码应用于动态接受字段，以直接编码每个输入状态组件。对于神经元编码，我们提出了不同类型的动态神经元（包含一阶和二阶神经元动力学），以描述更复杂的神经元动力学。最后，使用双重延迟的深层确定性政策梯度算法（TD3-PDSAN），PDSAN与深层评论家网络一起训练。广泛的实验结果表明，我们的TD3-PDSAN模型在四个OpenAI Gym基准任务上的最先进型号的性能更好。这是通过SNN朝着满足生物学合理性的有效计算来改善RL的重要尝试。

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。

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。

动态膜电位阈值是生物神经元的重要特性之一，是一种自发调节机制，可维持神经元稳态，即神经元的恒定总尖峰发射速率。因此，神经元的发射速率受动态尖峰阈值的调节，该阈值已在生物学上进行了广泛研究。机器学习社区中的现有工作不采用可行的尖峰阈值方案。这项工作旨在通过引入新型的生物启发的动态能量暂时性阈值（BDETT）方案来弥合这一差距。拟议的BDETT方案反映了两个可行的观察结果：动态阈值具有1）与平均膜电位的正相关，并且2）与前面的去极化速率有负相关。我们验证了拟议的BDETT对机器人障碍物避免的有效性和在正常条件和各种退化条件下的连续控制任务，包括嘈杂的观察，权重和动态环境。我们发现，在所有测试条件下，BDETT优于现有的静态和启发式阈值方法，我们确认提出的生物启发的动态阈值方案为复杂的现实世界任务中的SNN提供了可行的可行稳态。

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。

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。

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。

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。

这项研究提出了依赖电压突触可塑性（VDSP），这是一种新型的脑启发的无监督的本地学习规则，用于在线实施HEBB对神经形态硬件的可塑性机制。拟议的VDSP学习规则仅更新了突触后神经元的尖峰的突触电导，这使得相对于标准峰值依赖性可塑性（STDP）的更新数量减少了两倍。此更新取决于突触前神经元的膜电位，该神经元很容易作为神经元实现的一部分，因此不需要额外的存储器来存储。此外，该更新还对突触重量进行了正规化，并防止重复刺激时的重量爆炸或消失。进行严格的数学分析以在VDSP和STDP之间达到等效性。为了验证VDSP的系统级性能，我们训练一个单层尖峰神经网络（SNN），以识别手写数字。我们报告85.01 $ \ pm $ 0.76％（平均$ \ pm $ s.d。）对于MNIST数据集中的100个输出神经元网络的精度。在缩放网络大小时，性能会提高（400个输出神经元的89.93 $ \ pm $ 0.41％，500个神经元为90.56 $ \ pm $ 0.27），这验证了大规模计算机视觉任务的拟议学习规则的适用性。有趣的是，学习规则比STDP更好地适应输入信号的频率，并且不需要对超参数进行手动调整。

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.

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.

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。

We propose a novel backpropagation algorithm for training spiking neural networks (SNNs) that encodes information in the relative multiple spike timing of individual neurons without single-spike restrictions. The proposed algorithm inherits the advantages of conventional timing-based methods in that it computes accurate gradients with respect to spike timing, which promotes ideal temporal coding. Unlike conventional methods where each neuron fires at most once, the proposed algorithm allows each neuron to fire multiple times. This extension naturally improves the computational capacity of SNNs. Our SNN model outperformed comparable SNN models and achieved as high accuracy as non-convolutional artificial neural networks. The spike count property of our networks was altered depending on the time constant of the postsynaptic current and the membrane potential. Moreover, we found that there existed the optimal time constant with the maximum test accuracy. That was not seen in conventional SNNs with single-spike restrictions on time-to-fast-spike (TTFS) coding. This result demonstrates the computational properties of SNNs that biologically encode information into the multi-spike timing of individual neurons. Our code would be publicly available.

由于其强大的时空信息表示能力，尖峰神经网络（SNN）引起了很多关注。胶囊神经网络（CAPSNET）在不同级别的组装和耦合功能方面做得好。在这里，我们通过将胶囊引入尖刺神经网络的建模来提出尖峰帽。此外，我们提出了更具生物合理的尖峰定时依赖性可塑性路线机构。通过充分考虑低水平尖峰胶囊与高级尖峰胶囊之间的时空关系，它们之间的耦合能力进一步提高。我们在Mnist和FashionMnist数据集上进行了验证的实验。与其他优秀的SNN模型相比，我们的算法仍然实现了高性能。我们的尖峰帽完全结合了SNN和Capsnet的增强，并对噪声和仿射变换表现出强大的稳健性。通过向测试数据集添加不同的盐胡椒和高斯噪声，实验结果表明，当有更多的噪音时，我们的尖峰帽显示出更强大的性能，而人工神经网络无法正确澄清。同样，我们的尖峰帽显示出强烈的概括，可以在漂式数据集上仿射转换。

过去十年来，人们对人工智能（AI）的兴趣激增几乎完全由人工神经网络（ANN）的进步驱动。尽管ANN为许多以前棘手的问题设定了最先进的绩效，但它们需要大量的数据和计算资源进行培训，并且由于他们采用了监督的学习，他们通常需要知道每个培训示例的正确标记的响应，并限制它们对现实世界域的可扩展性。尖峰神经网络（SNN）是使用更多类似脑部神经元的ANN的替代方法，可以使用无监督的学习来发现输入数据中的可识别功能，而又不知道正确的响应。但是，SNN在动态稳定性方面挣扎，无法匹配ANN的准确性。在这里，我们展示了SNN如何克服文献中发现的许多缺点，包括为消失的尖峰问题提供原则性解决方案，以优于所有现有的浅SNN，并等于ANN的性能。它在使用无标记的数据和仅1/50的训练时期使用无监督的学习时完成了这一点（标记数据仅用于最终的简单线性读数层）。该结果使SNN成为可行的新方法，用于使用未标记的数据集快速，准确，有效，可解释的机器学习。

Event-based simulations of Spiking Neural Networks (SNNs) are fast and accurate. However, they are rarely used in the context of event-based gradient descent because their implementations on GPUs are difficult. Discretization with the forward Euler method is instead often used with gradient descent techniques but has the disadvantage of being computationally expensive. Moreover, the lack of precision of discretized simulations can create mismatches between the simulated models and analog neuromorphic hardware. In this work, we propose a new exact error-backpropagation through spikes method for SNNs, extending Fast \& Deep to multiple spikes per neuron. We show that our method can be efficiently implemented on GPUs in a fully event-based manner, making it fast to compute and precise enough for analog neuromorphic hardware. Compared to the original Fast \& Deep and the current state-of-the-art event-based gradient-descent algorithms, we demonstrate increased performance on several benchmark datasets with both feedforward and convolutional SNNs. In particular, we show that multi-spike SNNs can have advantages over single-spike networks in terms of convergence, sparsity, classification latency and sensitivity to the dead neuron problem.

突触塑性是神经网络中自我监管无监督学习的强大方法。最近利益的复苏已经在利用人工神经网络（ANNS）以及延期学习的突触可塑性方面开发。已经证明了可塑性来提高这些网络的学习能力在概括到新的环境环境。然而，这些训练有素的网络的长期稳定性尚未被检查。这项工作表明，利用ANN的可塑性导致不稳定于训练期间使用的预先指定的寿命。这种不稳定可以导致奖励寻求行为的戏剧性下降，或者快速导致到达环境终端状态。在许多训练时间范围内的两个不同环境中，这种行为被认为是在许多不同环境中的几种可塑性规则保持一致：推车极衡问题和四足球运动问题。我们通过使用尖刺神经元来提出这种不稳定性的解决方案。

尖峰神经网络（SNNS）是脑激发的模型，可在神经形状硬件上实现节能实现。然而，由于尖刺神经元模型的不连续性，SNN的监督培训仍然是一个难题。大多数现有方法模仿人工神经网络的BackProjagation框架和前馈架构，并在尖峰时间使用代理衍生物或计算梯度来处理问题。这些方法累积近似误差，或者仅通过现有尖峰被限制地传播信息，并且通常需要沿着具有大的内存成本和生物言行的时间步长的信息传播。在这项工作中，我们考虑反馈尖刺神经网络，这些神经网络更为大脑，并提出了一种新的训练方法，不依赖于前向计算的确切反向。首先，我们表明，具有反馈连接的SNN的平均触发速率将沿着时间的时间逐渐发展到均衡状态，这沿着定点方程沿着时间延续。然后通过将反馈SNN的前向计算作为这种等式的黑匣子求解器，并利用了方程上的隐式差异，我们可以计算参数的梯度而不考虑确切的前向过程。以这种方式，向前和向后程序被解耦，因此避免了不可微分的尖峰功能的问题。我们还简要介绍了隐含分化的生物合理性，这只需要计算另一个平衡。在Mnist，Fashion-Mnist，N-Mnist，CiFar-10和CiFar-100上进行了广泛的实验，证明了我们在少量时间步骤中具有较少神经元和参数的反馈模型的方法的优越性。我们的代码是在https://github.com/pkuxmq/ide-fsnn中获得的。

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。