短期可塑性（STP）是一种将腐烂记忆存储在大脑皮质突触中的机制。在计算实践中，已经使用了STP，但主要是在尖峰神经元的细分市场中，尽管理论预测它是对某些动态任务的最佳解决方案。在这里，我们提出了一种新型的经常性神经单元，即STP神经元（STPN），它确实实现了惊人的功能。它的关键机制是，突触具有一个状态，通过与偶然性的自我连接在时间上传播。该公式使能够通过时间返回传播来训练可塑性，从而导致一种学习在短期内学习和忘记的形式。 STPN的表现优于所有测试的替代方案，即RNN，LSTMS，其他具有快速重量和可区分可塑性的型号。我们在监督和强化学习（RL）以及协会​​检索，迷宫探索，Atari视频游戏和Mujoco Robotics等任务中证实了这一点。此外，我们计算出，在神经形态或生物电路中，STPN最大程度地减少了模型的能量消耗，因为它会动态降低个体突触。基于这些，生物学STP可能是一种强大的进化吸引子，可最大程度地提高效率和计算能力。现在，STPN将这些神经形态的优势带入了广泛的机器学习实践。代码可从https://github.com/neuromorphiccomputing/stpn获得

在Meta-Learning中，网络培训了外部算法，以学习需要获取，存储和利用任务的每个新实例的不可预测信息的任务。然而，由于其演进的神经结构和突触塑性机制，动物能够自动拾取这种认知任务。在这里，我们发展了神经网络，基于神经科学建模框架的一组相当简单的元学习任务，赋予了神经网络。由此产生的进化网络可以通过其进化的神经组织和可塑性结构的自发操作自动获取新的简单认知任务。我们建议参加自然学习中涉及的多数循环可能会对智能行为的出现提供有用的见解。

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.

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。

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。

AI的一个关键挑战是构建体现的系统，该系统在动态变化的环境中运行。此类系统必须适应更改任务上下文并持续学习。虽然标准的深度学习系统实现了最先进的静态基准的结果，但它们通常在动态方案中挣扎。在这些设置中，来自多个上下文的错误信号可能会彼此干扰，最终导致称为灾难性遗忘的现象。在本文中，我们将生物学启发的架构调查为对这些问题的解决方案。具体而言，我们表明树突和局部抑制系统的生物物理特性使网络能够以特定于上下文的方式动态限制和路由信息。我们的主要贡献如下。首先，我们提出了一种新颖的人工神经网络架构，该架构将活跃的枝形和稀疏表示融入了标准的深度学习框架中。接下来，我们在需要任务的适应性的两个单独的基准上研究这种架构的性能：Meta-World，一个机器人代理必须学习同时解决各种操纵任务的多任务强化学习环境;和一个持续的学习基准，其中模型的预测任务在整个训练中都会发生变化。对两个基准的分析演示了重叠但不同和稀疏的子网的出现，允许系统流动地使用最小的遗忘。我们的神经实现标志在单一架构上第一次在多任务和持续学习设置上取得了竞争力。我们的研究揭示了神经元的生物学特性如何通知深度学习系统，以解决通常不可能对传统ANN来解决的动态情景。

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。

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。

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。

元钢筋学习（Meta-RL）算法使得能够快速适应动态环境中的少量样本的任务。通过代理策略网络中的动态表示（通过推理关于任务上下文，模型参数更新或两者）获得的动态表示来实现这样的壮举。然而，由于在策略网络上满足不同的政策，因此获得了超越简单基准问题的快速适应的丰富动态表示是具有挑战性的。本文通过将神经调节引入模块化组件来解决挑战，以增加调节神经元活动的标准策略网络，以便为任务适应提供有效的动态表示。策略网络的建议扩展是在越来越复杂的多个离散和连续控制环境中进行评估。为了证明在Meta-R1中的延伸的一般性和益处，将神经调序的网络应用于两个最先进的META-RL算法（胱瓦和珍珠）。结果表明，与基线相比，通过神经调节增强的Meta-R1产生明显更好的结果和更丰富的动态表示。

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

人工神经网络（ANN）通常仅限于通过学习一组静态参数来完成预定的任务。相比之下，生物神经网络（BNN）可以通过根据其观察值不断更新其连接权重来适应各种新任务，这与学习有效学习规则的范式相符，例如静态参数，例如元参数。在广泛的生物学启发的学习规则中，Hebbian可塑性使用本地信号更新神经网络权重，而无需明确的目标功能指导，并密切模拟了BNN的学习。然而，使用大规模元参数的典型塑料环境违反了基因组瓶颈的性质，并使概括能力恶化。这项工作提出了一个新的学习范式，将这些依赖连接的可塑性规则分解为神经元依赖性规则，因此可容纳$ o（n^2）$可学习参数，只有$ o（n）$ meta-parameters。分解的可塑性以及不同类型的神经调节术都适用于从头开始的递归神经网络，以适应不同的任务。我们的算法在挑战随机的2D迷宫环境中进行了测试，在这些环境中，代理商必须利用过去的经验来提高其性能，而无需任何明确的客观功能和人类干预，即通过互动来学习。结果表明，满足基因组瓶颈的规则比以前的基于模型和基于可塑性的元学习更好地适应了分布式任务。

深度强化学习（RL）导致了许多最近和开创性的进步。但是，这些进步通常以培训的基础体系结构的规模增加以及用于训练它们的RL算法的复杂性提高，而均以增加规模的成本。这些增长反过来又使研究人员更难迅速原型新想法或复制已发表的RL算法。为了解决这些问题，这项工作描述了ACME，这是一个用于构建新型RL算法的框架，这些框架是专门设计的，用于启用使用简单的模块化组件构建的代理，这些组件可以在各种执行范围内使用。尽管ACME的主要目标是为算法开发提供一个框架，但第二个目标是提供重要或最先进算法的简单参考实现。这些实现既是对我们的设计决策的验证，也是对RL研究中可重复性的重要贡献。在这项工作中，我们描述了ACME内部做出的主要设计决策，并提供了有关如何使用其组件来实施各种算法的进一步详细信息。我们的实验为许多常见和最先进的算法提供了基准，并显示了如何为更大且更复杂的环境扩展这些算法。这突出了ACME的主要优点之一，即它可用于实现大型，分布式的RL算法，这些算法可以以较大的尺度运行，同时仍保持该实现的固有可读性。这项工作提出了第二篇文章的版本，恰好与模块化的增加相吻合，对离线，模仿和从演示算法学习以及作为ACME的一部分实现的各种新代理。

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.

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.

A long-standing challenge in artificial intelligence is lifelong learning. In lifelong learning, many tasks are presented in sequence and learners must efficiently transfer knowledge between tasks while avoiding catastrophic forgetting over long lifetimes. On these problems, policy reuse and other multi-policy reinforcement learning techniques can learn many tasks. However, they can generate many temporary or permanent policies, resulting in memory issues. Consequently, there is a need for lifetime-scalable methods that continually refine a policy library of a pre-defined size. This paper presents a first approach to lifetime-scalable policy reuse. To pre-select the number of policies, a notion of task capacity, the maximal number of tasks that a policy can accurately solve, is proposed. To evaluate lifetime policy reuse using this method, two state-of-the-art single-actor base-learners are compared: 1) a value-based reinforcement learner, Deep Q-Network (DQN) or Deep Recurrent Q-Network (DRQN); and 2) an actor-critic reinforcement learner, Proximal Policy Optimisation (PPO) with or without Long Short-Term Memory layer. By selecting the number of policies based on task capacity, D(R)QN achieves near-optimal performance with 6 policies in a 27-task MDP domain and 9 policies in an 18-task POMDP domain; with fewer policies, catastrophic forgetting and negative transfer are observed. Due to slow, monotonic improvement, PPO requires fewer policies, 1 policy for the 27-task domain and 4 policies for the 18-task domain, but it learns the tasks with lower accuracy than D(R)QN. These findings validate lifetime-scalable policy reuse and suggest using D(R)QN for larger and PPO for smaller library sizes.

Advances in reinforcement learning (RL) often rely on massive compute resources and remain notoriously sample inefficient. In contrast, the human brain is able to efficiently learn effective control strategies using limited resources. This raises the question whether insights from neuroscience can be used to improve current RL methods. Predictive processing is a popular theoretical framework which maintains that the human brain is actively seeking to minimize surprise. We show that recurrent neural networks which predict their own sensory states can be leveraged to minimise surprise, yielding substantial gains in cumulative reward. Specifically, we present the Predictive Processing Proximal Policy Optimization (P4O) agent; an actor-critic reinforcement learning agent that applies predictive processing to a recurrent variant of the PPO algorithm by integrating a world model in its hidden state. P4O significantly outperforms a baseline recurrent variant of the PPO algorithm on multiple Atari games using a single GPU. It also outperforms other state-of-the-art agents given the same wall-clock time and exceeds human gamer performance on multiple games including Seaquest, which is a particularly challenging environment in the Atari domain. Altogether, our work underscores how insights from the field of neuroscience may support the development of more capable and efficient artificial agents.

神经网络（NN）的重量矩阵（WM）是其程序。许多传统NN的程序是通过梯度下降中的某些错误函数中学到的，然后保持固定。但是，在运行时可以继续迅速修改自身的WM。原则上，这样的NN可以学习元学习，并从递归自我改善的意义上学习meta-meta-learn来学习，等等。自从90年代以来，已经提出了NN架构可能能够实施这种行为的架构，但几乎没有实践研究。在这里，我们基于快速重量程序员和密切相关的线性变压器的最新成功进行重新审视。我们提出了一个可扩展的自我参照WM（SRWM），该WM（SRWM）学会使用外部产品和Delta Update规则来修改自身。我们通过程序生成的游戏环境评估了有监督的少数学习和多任务增强学习中的SRWM。我们的实验证明了拟议的SRWM的实际适用性和竞争性能。我们的代码是公开的。

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.