Le système de récompense à long terme du cerveau repose sur la dopamine
5 août 2013
Brett Smith pour redOrbit.com - Votre univers en ligne
Que ce soit à travers le pays ou à la fin de vos études universitaires, il est souvent difficile de rester concentré sur les objectifs à long terme lorsqu'une récompense immédiate n'est pas à portée de main.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Washington à Seattle et du MIT a récemment découvert de nouveaux détails sur la façon dont le cerveau peut rester concentré jusqu'à ce que ces objectifs à long terme soient atteints, selon un rapport de la revue Nature.
Les recherches de l'équipe conjointe s'appuient sur des études antérieures qui avaient associé le neurotransmetteur dopamine au système de récompense du cerveau. Alors que la plupart des études précédentes impliquaient d'examiner la dopamine comme une récompense immédiate, la nouvelle étude a révélé une augmentation des taux de dopamine à mesure que les rats de laboratoire approchaient de la récompense attendue après une gratification retardée.
Pour mesurer les niveaux de dopamine dans le cerveau des rats, l'équipe a utilisé un système développé par le scientifique du comportement Paul Phillips, appelé voltamétrie cyclique à balayage rapide (FSCV), qui implique de petites électrodes implantées qui enregistrent en permanence la concentration de dopamine en recherchant sa signature électrochimique.
«Nous avons adapté la méthode FSCV pour pouvoir mesurer simultanément la dopamine dans quatre sites différents du cerveau, alors que les animaux se déplaçaient librement dans le labyrinthe», a déclaré le co-auteur Mark Howe, neurobiologiste postdoctoral à la Northwestern University. "Chaque sonde mesure la concentration de dopamine extracellulaire dans un très petit volume de tissu cérébral et reflète probablement l'activité de milliers de terminaisons nerveuses."
Les scientifiques ont commencé par entraîner les rats à se frayer un chemin dans un labyrinthe à la recherche d'une récompense. Au cours de chaque passage dans le labyrinthe, un son retentit lui enjoignant de tourner à droite ou à gauche à une intersection à la recherche d'une récompense au lait au chocolat.
L'équipe de recherche a déclaré s'attendre à voir des impulsions de dopamine être libérées par le cerveau des rats à intervalles réguliers au cours des essais. Cependant, ils ont constaté que les niveaux de neurotransmetteur augmentaient régulièrement tout au long de l'expérience - aboutissant à un niveau maximal à mesure que le rongeur approchait de sa récompense. Bien que le comportement des rats au cours de chaque essai ait varié, leur taux de dopamine a augmenté de manière fiable, malgré la vitesse de course ou la probabilité de récompense.
"Au lieu de cela, le signal de la dopamine semble refléter à quelle distance le rat est loin de son objectif", a déclaré Ann Graybiel, qui dirige un laboratoire de recherche sur le cerveau au MIT. "Plus il se rapproche, plus le signal devient fort."
L'équipe a également découvert que la magnitude du signal de dopamine était associée à la taille de la récompense attendue. Lorsque les rats étaient conditionnés à s'attendre à une plus grande portion de lait au chocolat, leur taux de dopamine augmentait plus rapidement et atteignait un pic plus élevé.
Les chercheurs ont varié l'expérience en élargissant le labyrinthe à une forme plus complexe qui obligeait les rats à courir plus loin et à effectuer des tours supplémentaires pour atteindre le prix. Au cours de ces essais plus longs, le signal de dopamine a augmenté plus progressivement, mais a finalement atteint le même niveau que dans le labyrinthe précédent.
«C'est comme si l'animal était en train d'ajuster ses attentes, sachant qu'il lui restait à aller», a déclaré Graybiel.
Elle a suggéré que les futures études se penchent sur ce même phénomène chez l'homme.
«Je serais choqué si quelque chose de similaire ne se produisait pas dans notre propre cerveau», a déclaré Graybiel.
La recherche révèle comment le cerveau garde le œil sur le prix
Lun, 08/05/2013 - 10h15
Institut McGovern de recherche sur le cerveau
"Sommes-nous déjà là?"
Comme le savent tous ceux qui ont voyagé avec de jeunes enfants, il peut être difficile de rester concentré sur des objectifs distants. Une nouvelle étude du Massachusetts Institute of Technology (MIT) suggère comment le cerveau s'acquitte de cette tâche et indique que le neurotransmetteur dopamine peut signaler la valeur des avantages à long terme. Les résultats peuvent également expliquer pourquoi les patients atteints de la maladie de Parkinson - dans laquelle la signalisation de la dopamine est altérée - ont souvent du mal à maintenir la motivation à accomplir ses tâches.
Le travail est décrit dans Nature.
Des études antérieures ont établi un lien entre la dopamine et les récompenses et ont montré que les neurones de la dopamine présentent de brèves poussées d'activité lorsque les animaux reçoivent une récompense inattendue. Ces signaux dopaminergiques sont considérés comme importants pour l’apprentissage par renforcement, processus par lequel un animal apprend à effectuer des actions génératrices de récompense.
Prendre le long terme
Dans la plupart des études, cette récompense a été livrée en quelques secondes. Cependant, dans la vie réelle, la gratification n’est pas toujours immédiate: les animaux doivent souvent voyager à la recherche de nourriture et doivent rester motivés pour atteindre un objectif lointain tout en répondant à des signaux plus immédiats. Il en va de même pour l'homme: lors d'un long voyage sur la route, un conducteur doit rester concentré sur sa destination finale tout en réagissant au trafic, en s'arrêtant pour prendre un en-cas et en divertissant les enfants sur le siège arrière.
L’équipe du MIT, dirigée par la professeure Ann Graybiel - qui est également chercheuse à l’Institut de recherche sur le cerveau McGovern du MIT - a décidé d’étudier la façon dont la dopamine change au cours d’une tâche labyrinthique se rapprochant du travail pour une gratification différée. Les chercheurs ont entraîné des rats à naviguer dans un labyrinthe pour obtenir une récompense. Lors de chaque essai, un rat entendait une tonalité lui demandant de se tourner à droite ou à gauche à une intersection pour trouver une récompense au lait au chocolat.
Plutôt que de simplement mesurer l'activité des neurones contenant de la dopamine, les chercheurs du MIT ont voulu mesurer la quantité de dopamine libérée dans le striatum, une structure cérébrale connue pour son importance dans l'apprentissage par renforcement. Ils ont fait équipe avec Paul Phillips de l'Univ. de Washington, qui a développé une technologie appelée voltamétrie cyclique à balayage rapide (FSCV) dans laquelle de minuscules électrodes implantées en fibre de carbone permettent des mesures en continu de la concentration en dopamine sur la base de son empreinte électrochimique.
«Nous avons adapté la méthode FSCV afin de pouvoir mesurer simultanément la dopamine dans quatre sites différents du cerveau, alors que les animaux se déplaçaient librement dans le labyrinthe», explique le premier auteur Mark Howe, ancien étudiant diplômé de Graybiel, postdoctorant au le département de neurobiologie à Northwestern Univ. "Chaque sonde mesure la concentration de dopamine extracellulaire dans un très petit volume de tissu cérébral et reflète probablement l'activité de milliers de terminaisons nerveuses."
Augmentation progressive de la dopamine
D'après les travaux précédents, les chercheurs s'attendaient à ce que des impulsions de dopamine soient libérées à différents moments de l'essai. «Mais en fait, nous avons trouvé quelque chose de beaucoup plus surprenant», déclare Graybiel: le niveau de dopamine a régulièrement augmenté tout au long de l'essai, atteignant un sommet animal a approché son objectif - comme si dans l'attente d'une récompense.
Le comportement des rats variait d'un essai à l'autre - certaines exécutions étaient plus rapides que d'autres, et parfois les animaux s'arrêtaient brièvement - mais le signal de dopamine ne variait pas avec la vitesse ou la durée de l'essai. Cela ne dépendait pas non plus de la probabilité d'obtenir une récompense, comme l'avaient suggéré des études antérieures.
"Au lieu de cela, le signal de la dopamine semble refléter la distance qui le sépare de son objectif", explique Graybiel. "Plus il se rapproche, plus le signal devient puissant." Les chercheurs ont également découvert que la taille du signal était liée à la récompense attendue: lorsque les rats étaient entraînés à anticiper une plus grande gorgée de lait au chocolat, le signal de dopamine augmentait. plus fortement à une concentration finale plus élevée.
Dans certains essais, le labyrinthe en forme de T a été étendu à une forme plus complexe, obligeant les animaux à courir plus longtemps et à faire des virages supplémentaires avant d'obtenir une récompense. Au cours de ces essais, le signal de dopamine a augmenté plus progressivement, pour atteindre le même niveau que dans le labyrinthe plus court. «C'est comme si l'animal était en train d'ajuster ses attentes, sachant qu'il lui restait encore beaucoup à faire», dit Graybiel.
Un 'système de guidage interne'
«Cela signifie que les niveaux de dopamine pourraient être utilisés pour aider un animal à faire des choix pour atteindre son objectif et pour estimer la distance qui le sépare», déclare Terrence Sejnowski de l'Institut Salk, un neuroscientifique en informatique qui connaît les résultats mais n'a pas participé à l'étude. "Ce" système de guidage interne "pourrait également être utile aux humains, qui doivent également faire des choix en cours de route pour atteindre un objectif lointain."
Une question que Graybiel espère examiner dans les recherches à venir est de savoir comment le signal se produit dans le cerveau. Les rats et les autres animaux forment des cartes cognitives de leur environnement spatial, avec des «cellules de lieu» qui sont actives lorsque l'animal se trouve à un emplacement spécifique. «Alors que nos rats parcourent le labyrinthe à plusieurs reprises, nous soupçonnons qu'ils apprennent à associer chaque point du labyrinthe à la distance qui le sépare de la récompense qu'ils avaient obtenue lors des courses précédentes.
Graybiel a déclaré: "Je serais choqué si quelque chose de similaire ne se produisait pas dans notre propre cerveau". On sait que les patients atteints de la maladie de Parkinson, chez qui la signalisation de la dopamine est altérée, semblent souvent apathiques, et avoir de la difficulté à conserver la motivation nécessaire pour mener à bien une longue tâche. «Peut-être est-ce dû au fait qu'ils ne peuvent pas produire ce signal de dopamine à faible augmentation», explique Graybiel.
Source: Massachusetts Institute of Technology
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