Guy Bouvier, Johnatan Aljadeff, Claudia Clopath, Célian Bimbard, Jonas Ranft, Antonin Blot, Jean-Pierre Nadal, Nicolas Brunel, Vincent Hakim, Boris Barbour, HAL UPMC, Gestionnaire, Institut de biologie de l'ENS Paris (IBENS), Département de Biologie - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Departments of Statistics and Neurobiology [Chicago, USA], University of Chicago, Department of Bioengineering [London, UK], Imperial College London, Laboratoire de Physique Statistique de l'ENS (LPS), Fédération de recherche du Département de physique de l'Ecole Normale Supérieure - ENS Paris (FRDPENS), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre d'Analyse et de Mathématique sociales (CAMS), École des hautes études en sciences sociales (EHESS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Département de Biologie - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Institut de biologie de l'ENS Paris (UMR 8197/1024) (IBENS)
The cerebellum aids the learning and execution of fast coordinated movements, with acquired information being stored by plasticity of parallel fibre—Purkinje cell synapses. According to the current consensus, erroneously active parallel fibre synapses are depressed by complex spikes arising when climbing fibres signal movement errors. However, this theory cannot solve the credit assignment problem of using the limited information from a global movement evaluation to optimise behaviour by guiding the plasticity in numerous neurones. We identify the possible implementation of an algorithm solving this problem, whereby spontaneous complex spikes perturb ongoing movements, create an eligibility trace for plasticity and signal resulting error changes to guide plasticity. These error changes are extracted by adaptively cancelling the average error. This framework, stochastic gradient descent with estimated global errors, generates specific predictions for synaptic plasticity rules that contradict the current consensus. However, in vitro plasticity experiments under physiological conditions verified our predictions, highlighting the sensitivity of plasticity studies to unphysiological conditions. Using numerical and analytical approaches we demonstrate the convergence and estimate the capacity of learning in our implementation. Finally, a similar mechanism may operate during optimisation of action sequences by the basal ganglia, where dopamine could both initiate movements and signal rewards, analogously to the dual perturbation and correction role of the climbing fibre outlined here.