Conséquences à court et à long terme de la nouveauté, de la déviance et des surprises sur le cerveau et la cognition (2015)

Neurosciences et examens biocomportementaux

Disponible en ligne 11 mai 2015

Avantages

  • La nouveauté Stimulus améliore la perception et facilite les réponses.
  • La nouveauté spatiale augmente la motivation et favorise l'apprentissage et la mémoire.
  • Les effets sur la perception peuvent être médiés par les régions limbiques.
  • Les effets sur les réponses sont de courte durée et peuvent être liés aux réponses LC – NE.
  • Les effets sur l’apprentissage durent plus longtemps et sont liés aux réponses SN / VTA.

Abstract

Quand on rencontre un nouveau stimulus, cela déclenche une cascade de réponses cérébrales, activant plusieurs systèmes neuromodulateurs. En conséquence, la nouveauté a un large éventail d'effets sur la cognition; améliorer la perception et l'action, augmenter la motivation, susciter un comportement exploratoire et promouvoir l'apprentissage. Ici, nous passons en revue ces avantages et comment ils peuvent survenir dans le cerveau. Nous proposons un cadre qui organise les effets de la nouveauté sur le cerveau et la cognition en trois groupes.

Premièrement, la nouveauté peut améliorer de façon transitoire la perception. Il est proposé que cet effet soit médié par de nouveaux stimuli activant l'amygdale et améliorant le traitement sensoriel précoce.

Deuxièmement, de nouveaux stimuli peuvent augmenter l'excitation, entraînant des effets de courte durée sur l'action dans les premières centaines de millisecondes après la présentation. Nous soutenons que ces effets sont liés à la déviance, plutôt qu’à la nouveauté en soi, et nous les lions à l’activation du système locoréphérique noradrénaline.

Troisièmement, la nouveauté spatiale peut déclencher le système dopaminergique mésolimbique, favoriser la libération de dopamine dans l'hippocampe et avoir des effets plus durables, jusqu'à plusieurs dizaines de minutes, sur la motivation, le traitement des récompenses, l'apprentissage et la mémoire.

 

EXTRAITS DE L'ÉTUDE

Un intérêt pour le nouveau peut donc être bénéfique et peut également être nécessaire pour détecter les menaces potentielles et éviter les dommages. Pour adapter le comportement de manière optimale à la situation actuelle, le cerveau doit faire un compromis entre l'exploitation de sources de récompense connues et l'exploration de nouveaux objets et situations pouvant indiquer des résultats plus rentables, ou une solution plus rentable. source inconnue de menace.

Les théories computationnelles de l'apprentissage par renforcement suggèrent que la nouveauté peut promouvoir la nouveauté dans le comportement exploratoire en suscitant un «bonus d'exploration» (ou une nouveauté), en motivant un comportement exploratoire à la recherche d'une récompense (Düzel et al., 2010; Kakade and Dayan, 2002). ; Knutson et Cooper, 2006). Cette idée a été développée dans une théorie: Motivation de l'anticipation et de l'exploration liées à NOvelty par la dopamine ou NOMAD (Düzel et al., 2010). NOMAD suggère que la perception d'un nouveau stimulus entraîne à la fois des sursauts phasiques temporellement spécifiques de DA, qui augmentent plasticité à la fois pour le stockage du nouveau stimulus et des stimuli qui le suivent et pour une augmentation des niveaux de DA tonique. De plus, la simple anticipation de la nouveauté entraînerait déjà une augmentation des niveaux de DA tonique. Cette augmentation de l'activité tonique améliorerait à son tour l'anticipation des récompenses et favoriserait un comportement exploratoire.

Les preuves empiriques de cette théorie ont montré que de nouveaux stimuli et l'anticipation de nouveaux stimuli peuvent effectivement activer le système de récompense dopa-minergique, améliorant ainsi les réponses de prédiction de récompense (Bunzeck et al., 2012; Wittmann et al., 2007), et en garantissant de nouvelles opportunités. sont évalués et les risques potentiels sont évalués jusqu'à ce que le résultat soit connu (Krebs et al., 2009). De plus, nov-elty augmente la libération de DA phasique dans le striatum pour récompenser (Bunzecket et 2007; Guitart-Masip et coll., 2010; Krebs et coll., 2011; Lisman et Grace, 2005). De plus, il a été démontré que l’activité de la VTA causée par l’anticipation des récompenses était corrélée à une meilleure mémoire épisodique, ce qui suggère que la publication de DA peut effectivement stimuler la mémoire (Murty et Adcock, 2014). Dans l’autre sens, la récompense peut accélérer le traitement de la nouveauté (Bunzeck et al., 2009), processus supposé contrôlé par DA, qui module également les performances d’extraction de la mémoire (Apitz et Bunzeck, 2013; Eckart et Bunzeck, 2013). sur le lien entre la dopamine et la mémoire, voir Shohamy et Adcock, 2010). Cependant, le lien entre la nouveauté et l'apprentissage a également été associé à d'autres systèmes neuromodulateurs.

Cependant, le lien entre la nouveauté et l'apprentissage a également été associé à d'autres systèmes neuromodulateurs. En particulier, NE a également été impliqué dans les avantages d'apprentissage induits par la nouveauté, en particulier chez les animaux non humains (Straube et al., 2003b; Sara, 2009; Harley, 2007; Madison et Nicoll, 1986). La NE augmente l'excitabilité des neurones dans le gyrus denté et favorise la potentialisation à long terme (LTP; Kitchigina et al., 1997; Kemp et Manahan-Vaughn, 2008; Klukowski et Harley, 1994), mécanisme que l'on croit basé sur la formation de souvenirs. (Cooke et Bliss, 2006).

Plusieurs systèmes neuromodulateurs ont été suggérés pour sous-tendre les effets de la nouveauté sur l'apprentissage, tels que les entrées dopaminergiques (Lemon et Manahan-Vaughan, 2006; Li et al., 2003; Lisman et Grace, 2005; Roggenhofer et al., 2010; Sajikumar et Frey, 2004), entrées noradrénergiques (Kitchigina et al., 1997; Straube et al., 2003a; Uzakov et al., 2005; Vankov et al., 1995) par l’intermédiaire de récepteurs bêta-adrénergiques (Kemp et Manahan-Vaughan, 2008), et entrées cholinergiques (Barry et al., 2012; Bergado et al., 2007; Hasselmo, 1999; Meeter et al., 2004). Les systèmes dopaminergique et noradrénergique ont également été suggérés pour atténuer ces effets de concert, en agissant sur leurs connexions réciproques (Briand et al., 2007; Harley, 2004; Sara, 2009). Les trois neurotransmetteurs sont connus pour être libérés en réponse à de nouveaux stimuli et ont été liés à la plasticité du cerveau.

Une autre raison de croire que NE ni ACh est cruciale pour les effets de la nouveauté sur la mémoire est l’échelle de temps sur laquelle ces effets se produisent. On a fait valoir que les effets de la libération d'ACh atteignaient leur maximum environ deux secondes après la libération (Hasselmo et Fehlau, 2001), tandis que les effets de la libération de NE peuvent agir sur des périodes plus courtes.

En effet, il a été avancé que les effets de nouveaux environnements 1 sur l'induction de la PLT dépendaient de l'activation des récepteurs dopaminergiques D1 / D5 (Li et al., 2003).

Ces effets à long terme de la nouveauté sont tout à fait compatibles avec l’idée que DA adapte les avantages pour la mémoire induits par la nouveauté, comme le proposent notamment Lisman et Grace (2005). De plus, d'autres éléments de preuve ont démontré le rôle important joué par le DA dans l'augmentation de la plasticité de l'hippocampe (Jay, 2003; Lemon et Manahan-Vaughan, 2006; Li et al., 2003; Lisman et Grace, 2005; Roggenhofer et al., 2010; Sajikumar et Frey, 2004). Ensemble, ces résultats suggèrent que le même mécanisme sous-tend les avantages de la nouveauté d'apprentissage et le bonus d'exploration (Düzel et al., 2010; Blumenfeld et al., 2006; Lisman et Grace, 2005).

Un cadre pour organiser les effets de la nouveauté sur le comportement du cerveau

En résumé, la nouveauté suscite de fortes réactions dans une grande variété de zones du cerveau et stimule plusieurs systèmes neuromodulateurs, affectant de nombreux aspects de la cognition. Ici, nous avons fait valoir que les réponses neurophysiologiques à la nouveauté se déroulent à différentes échelles de temps, ce qui peut expliquer les différences dans le timing des effets de la nouveauté sur différents processus cognitifs. La recherche examinée ici suggère que ces effets peuvent être regroupés en au moins trois catégories. Les deux premiers consistent en des effets qui se produisent peu de temps après la découverte d’un nouveau stimulus. Le troisième contient des effets plus durables.

Premièrement, l’amygdale, principalement connue pour son rôle dans le traitement de l’émotion, réagit fortement à la nouveauté. (Zald, 2003; Blackford et al., 2010). On pense que les stimuli émotionnels améliorent la perception visuelle en provoquant une réponse de l'attention en activant l'amygdale et ses connexions avec les zones corticales visuelles précoces (Vuilleumier, 2005). Puisque les nouveaux stimuli peuvent activer de manière fiable les mêmes circuits cérébraux que les stimuli émotionnels, la nouveauté pourrait potentiellement améliorer les processus de perception via les mêmes voies. Les effets de la féminisation sur la perception visuelle sont très rapides. Bien que l'évolution temporelle exacte de ces effets ne soit pas encore connue, il est généralement signalé que des améliorations apparaissent au cours des premières centaines de millisecondes suivant la présentation d'un stimulus émotionnel (Sellinger et al., 2013). Il a été démontré que les nouveaux stimuli avaient des effets stimulants similaires sur la perception (Schomaker et Meeter, 2012). Bien que beaucoup reste incertain, nous avons soutenu que l’orientation de l’attention sur de nouveaux stimuli pourrait résulter de l’activation de l’amygdalar affectant les premières régions de traitement sensoriel du cerveau.

Deuxièmement, de nouveaux stimuli peuvent activer la LC (une zone du tronc cérébral qui est le fournisseur exclusif de NE dans le cerveau antérieur), ce qui entraîne une libération phasique de NE autour de 200 ms après la présentation du stimulus. (Aston-Jones et Cohen, 2005b; Mongeau et al., 1997). Ce système LC – NE a été associé à l’excitation, mais peut également affecter le comportement de manière plus sélective. La théorie du gain adaptatif (Aston-Jones et Cohen (2005a) postule que la libération de NE phasique par la LC agit comme un filtre temporel, facilitant le comportement lié à la tâche en stimulant les processus de prise de décision et en supprimant l'activité cérébrale non liée à la cible. La nouveauté pourrait Des études récentes ont montré que les nouveaux stimulants facilitent effectivement les réponses, mais que leurs effets dépendent fortement d'autres facteurs. En fait, l'accélération des réponses semble être une réponse davantage à la déviance qu'à la nouveauté en soi (Schomaker etMeeter, 2014a). Il en a été de même pour le composant ERP P3 de dernière génération (Schomaker et al., 2014c), suggérant un mécanisme commun possible.

Troisièmement, le système dopaminergique mésolimbique peut être activé par la nouveauté. Contrairement à la réponse LC – NE de courte durée, les réponses dopaminergiques induites par la nouveauté peuvent être efficaces jusqu'à quelques minutes plus tard. (Li et al., 2003). Après la détection de la nouveauté, on pense que la libération de DA du SN / VTA est déclenchée par un signal de nouveauté de l'hippocampe (Lisman et Grace, 2005). Sur le plan comportemental, il a été démontré que la nouveauté spatiale spécifique avait des effets bénéfiques sur la mémoire chez les animaux (Davis et coll., 2004; McGaugh, 2005; Uzakov et coll., 2005; Straube et coll., 2003b) et les humains (Fenker et coll. , 2008; Schomaker et al., 2014b)