A distributional code for value in dopamine-based reinforcement learning

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作者
Will Dabney,Zeb Kurth‐Nelson,Naoshige Uchida,Clara Kwon Starkweather,Demis Hassabis,Rémi Munos,Matthew Botvinick
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:577 (7792): 671-675 被引量:390
标识
DOI:10.1038/s41586-019-1924-6
摘要

Since its introduction, the reward prediction error theory of dopamine has explained a wealth of empirical phenomena, providing a unifying framework for understanding the representation of reward and value in the brain1–3. According to the now canonical theory, reward predictions are represented as a single scalar quantity, which supports learning about the expectation, or mean, of stochastic outcomes. Here we propose an account of dopamine-based reinforcement learning inspired by recent artificial intelligence research on distributional reinforcement learning4–6. We hypothesized that the brain represents possible future rewards not as a single mean, but instead as a probability distribution, effectively representing multiple future outcomes simultaneously and in parallel. This idea implies a set of empirical predictions, which we tested using single-unit recordings from mouse ventral tegmental area. Our findings provide strong evidence for a neural realization of distributional reinforcement learning. Analyses of single-cell recordings from mouse ventral tegmental area are consistent with a model of reinforcement learning in which the brain represents possible future rewards not as a single mean of stochastic outcomes, as in the canonical model, but instead as a probability distribution.
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