Cerebellar Guidance of Premotor Network Development and Sensorimotor Learning

Single u n i t a n d i m a g i n g s tud ies have s h o w n t h a t t he c e r e b e l l u m is e spec i a l l y act ive d u r i n g t he a c qu i s i t i on p h a s e o f c e r t a i n m o t o r a n d cogn i t ive tasks . These da ta a re c o n s i s t e n t w i t h t h e h y p o t h e s i s t h a t p a r t i c u l a r s e n s o r i m o t o r p r o c e d u r e s a re a c q u i r e d a n d s t o r e d in t h e c e r e b e l l a r c o r t e x a n d t h a t th i s k n o w l e d g e c a n t h e n be e x p o r t e d to t he c e r e b r a l c o r t e x a n d p r e m o t o r n e t w o r k s fo r m o r e ef f ic ient execu t ion . In th i s ar t ic le w e p r e s e n t a m o d e l to i l lus t ra te h o w t he c e r e b e l l a r c o r t e x m i g h t gu ide t he d e v e l o p m e n t o f cor t ica l -cerebel la r n e t w o r k c o n n e c t i o n s a n d h o w a s i m i l a r m e c h a n i s m o p e r a t i n g in t he adu l t cou ld m e d i a t e t h e e x p o r t a t i o n o f s e n s o r i m o t o r k n o w l e d g e f r o m t h e c e r e b e l l u m to t he m o t o r cor tex . The m o d e l cons i s t s o f a t h r e e l a y e r e d r e c u r r e n t n e t w o r k r e p r e s e n t i n g t he ce r ebe l l o t ha l amocor t i c a l p o n t o c e r e b e l l a r l i m b p r e m o t o r n e t w o r k . The c e r e b e l l a r c o r t e x is n o t exp l i c i t l y m o d e l e d . Our s i m u l a t i o n s s h o w tha t H e b b i a n l e a r n i n g c o m b i n e d w i t h w e i g h t n o i a n a l i z a t i o n a l lows t he e m e r g e n c e o f r e c i p r o c a l a n d m o d u l a r s t r u c t u r e in t he l i m b p r e m o t o r n e t w o r k . Rec ip roca l c o n n e c t i o n s a l low act iv i ty to r e v e r b e r a t e a r o u n d speci f ic loops . M o d u l a r i t y o r gan i ze s t he c o n n e c t i o n s in to speci f ic c h a n n e l s . F u r t h e r m o r e , w e s h o w t h a t c e r e b e l l a r l e a r n i n g can be e x p o r t e d to m o t o r c o r t e x t h r o u g h t h e s e m o d u l a r a n d r e c i p r o c a l p r e m o t o r c i rcui ts . In pa r t i cu la r , w e s imu la t e d e v e l o p m e n t a l a l i g n m e n t o f v i s u o m o t o r r e l a t i ons a n d t h e i r r e a l i g n m e n t as a c o n s e q u e n c e o f p r i s m e x p o s u r e . The 1Corresponding author. e x p o r t a t i o n o f s e n s o r i m o t o r k n o w l e d g e f r o m t h e c e r e b e l l u m to t he m o t o r c o r t e x m a y a l low fas te r a n d m o r e ef f ic ient e x e c u t i o n o f l e a r n e d m o t o r r e s p o n s e s .