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。

在基于人工神经网络的终身学习系统中，最大的障碍之一是在遇到新信息时无法保留旧知识。这种现象被称为灾难性遗忘。在本文中，我们提出了一种新型的连接主义架构，即顺序的神经编码网络，在从数据点流中学习时忘记了，并且与当今的网络不同，它不会通过流行的错误反向传播来学习。基于预测性处理的神经认知理论，我们的模型以生物学上可行的方式适应了突触，而另一个神经系统学会了指导和控制这种类似皮层的结构，模仿了一些基础神经节的某些任务连续控制功能。在我们的实验中，我们证明了与标准神经模型相比，我们的自组织系统经历的遗忘大大降低，表现优于先前提出的方法，包括基于排练/数据缓冲的方法，包括标准（SplitMnist，SplitMnist，Split Mnist等） 。）和定制基准测试，即使以溪流式的方式进行了训练。我们的工作提供了证据表明，在实际神经元系统中模仿机制，例如本地学习，横向竞争，可以产生新的方向和可能性，以应对终身机器学习的巨大挑战。

神经生成模型可用于学习从数据的复杂概率分布，从它们中进行采样，并产生概率密度估计。我们提出了一种用于开发由大脑预测处理理论启发的神经生成模型的计算框架。根据预测加工理论，大脑中的神经元形成一个层次结构，其中一个级别的神经元形成关于来自另一个层次的感觉输入的期望。这些神经元根据其期望与观察到的信号之间的差异更新其本地模型。以类似的方式，我们的生成模型中的人造神经元预测了邻近的神经元的作用，并根据预测匹配现实的程度来调整它们的参数。在这项工作中，我们表明，在我们的框架内学到的神经生成模型在练习中跨越多个基准数据集和度量来表现良好，并且保持竞争或显着优于具有类似功能的其他生成模型（例如变形自动编码器）。

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.

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).

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。

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.

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。

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。

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。

尖峰神经网络（SNN）已成为用于分类任务的硬件有效体系结构。基于尖峰的编码的惩罚是缺乏完全使用尖峰执行的通用训练机制。已经进行了几项尝试，用于采用在非加速人工神经网络（ANN）中使用的强大反向传播（BP）技术：（1）SNN可以通过外部计算的数值梯度来训练。 （2）基于天然尖峰的学习的主要进步是使用具有分阶段的前向/向后传递的尖峰时间依赖性可塑性（STDP）的近似反向传播。但是，在此类阶段之间的信息传输需要外部内存和计算访问。这是神经形态硬件实现的挑战。在本文中，我们提出了一种基于随机SNN的后式Prop（SSNN-BP）算法，该算法利用复合神经元同时计算前向通行激活，并用尖峰明确计算前向传递梯度。尽管签名的梯度值是基于SPIKE的表示的挑战，但我们通过将梯度信号分为正和负流来解决这一问题。复合神经元以随机尖峰传播的形式编码信息，并将反向传播的权重更新转换为时间和空间上局部离散的STDP类似STDP的Spike Concike更新，使其与硬件友好的电阻式处理单元（RPU）兼容。此外，我们的方法使用足够长的尖峰训练来接近BP ANN基线。最后，我们表明，可以通过强制执行胜利者的抑制性横向连接来实现软磁体交叉渗透损失函数。我们的SNN通过与MNIST，时尚和扩展的MNIST数据集的ANN相当的性能来表现出极好的概括。因此，SSNN-BP可以使BP与纯粹基于尖峰的神经形态硬件兼容。

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。

穗状花序的神经形状硬件占据了深度神经网络（DNN）的更节能实现的承诺，而不是GPU的标准硬件。但这需要了解如何在基于事件的稀疏触发制度中仿真DNN，否则能量优势丢失。特别地，解决序列处理任务的DNN通常采用难以使用少量尖峰效仿的长短期存储器（LSTM）单元。我们展示了许多生物神经元的面部，在每个尖峰后缓慢的超积极性（AHP）电流，提供了有效的解决方案。 AHP电流可以轻松地在支持多舱神经元模型的神经形状硬件中实现，例如英特尔的Loihi芯片。滤波近似理论解释为什么AHP-Neurons可以模拟LSTM单元的功能。这产生了高度节能的时间序列分类方法。此外，它为实现了非常稀疏的大量大型DNN来实现基础，这些大型DNN在文本中提取单词和句子之间的关系，以便回答有关文本的问题。

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。

我们提出了Memprop，即采用基于梯度的学习来培训完全的申请尖峰神经网络（MSNNS）。我们的方法利用固有的设备动力学来触发自然产生的电压尖峰。这些由回忆动力学发出的尖峰本质上是类似物，因此完全可区分，这消除了尖峰神经网络（SNN）文献中普遍存在的替代梯度方法的需求。回忆性神经网络通常将备忘录集成为映射离线培训网络的突触，或者以其他方式依靠关联学习机制来训练候选神经元的网络。相反，我们直接在循环神经元和突触的模拟香料模型上应用了通过时间（BPTT）训练算法的反向传播。我们的实现是完全的综合性，因为突触重量和尖峰神经元都集成在电阻RAM（RRAM）阵列上，而无需其他电路来实现尖峰动态，例如模数转换器（ADCS）或阈值比较器。结果，高阶电物理效应被充分利用，以在运行时使用磁性神经元的状态驱动动力学。通过朝着非同一梯度的学习迈进，我们在以前报道的几个基准上的轻巧密集的完全MSNN中获得了高度竞争的准确性。

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.

Spiking neural networks (SNN) are a viable alternative to conventional artificial neural networks when energy efficiency and computational complexity are of importance. A major advantage of SNNs is their binary information transfer through spike trains. The training of SNN has, however, been a challenge, since neuron models are non-differentiable and traditional gradient-based backpropagation algorithms cannot be applied directly. Furthermore, spike-timing-dependent plasticity (STDP), albeit being a spike-based learning rule, updates weights locally and does not optimize for the output error of the network. We present desire backpropagation, a method to derive the desired spike activity of neurons from the output error. The loss function can then be evaluated locally for every neuron. Incorporating the desire values into the STDP weight update leads to global error minimization and increasing classification accuracy. At the same time, the neuron dynamics and computational efficiency of STDP are maintained, making it a spike-based supervised learning rule. We trained three-layer networks to classify MNIST and Fashion-MNIST images and reached an accuracy of 98.41% and 87.56%, respectively. Furthermore, we show that desire backpropagation is computationally less complex than backpropagation in traditional neural networks.

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。

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.