The loss of plasticity in learning agents, analogous to the solidification of neural pathways in biological brains, significantly impedes learning and adaptation in reinforcement learning due to its non-stationary nature. To address this fundamental challenge, we propose a novel approach, {\it Neuroplastic Expansion} (NE), inspired by cortical expansion in cognitive science. NE maintains learnability and adaptability throughout the entire training process by dynamically growing the network from a smaller initial size to its full dimension. Our method is designed with three key components: (\textit{1}) elastic topology generation based on potential gradients, (\textit{2}) dormant neuron pruning to optimize network expressivity, and (\textit{3}) neuron consolidation via experience review to strike a balance in the plasticity-stability dilemma. Extensive experiments demonstrate that NE effectively mitigates plasticity loss and outperforms state-of-the-art methods across various tasks in MuJoCo and DeepMind Control Suite environments. NE enables more adaptive learning in complex, dynamic environments, which represents a crucial step towards transitioning deep reinforcement learning from static, one-time training paradigms to more flexible, continually adapting models.


翻译:学习智能体中的可塑性丧失,类似于生物大脑中神经通路的固化,由于其非平稳特性,显著阻碍了强化学习中的学习与适应能力。为应对这一根本性挑战,我们受认知科学中皮层扩展的启发,提出了一种新颖方法——神经可塑性扩展(NE)。NE通过将网络从较小的初始规模动态增长至完整维度,在整个训练过程中持续保持可学习性与适应性。我们的方法设计包含三个关键组成部分:(1)基于势梯度的弹性拓扑生成,(2)通过休眠神经元剪枝优化网络表达能力,以及(3)通过经验回放进行神经元整合,以在可塑性-稳定性困境中取得平衡。大量实验表明,NE能有效缓解可塑性丧失,并在MuJoCo和DeepMind Control Suite环境中的多种任务上超越现有先进方法。NE使得在复杂动态环境中实现更具适应性的学习成为可能,这标志着深度强化学习从静态的一次性训练范式向更灵活、持续适应模型转变的关键一步。

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