- Neuroimage. 2007 Oct 15; 38 (1-9): 194 – 202.
- doi: 10.1016 / j.neuroimage.2007.06.038
PMCID: PMC2706325
Bianca C. Wittmann, Nico Bunzeck,b Raymond J. Dolan,a ainsi que Emrah Düzelb,c,⁎
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Abstract
Le cerveau moyen dopaminergique, qui comprend la substantia nigra et la région tegmentale ventrale (SN / VTA), joue un rôle central dans le traitement des récompenses. Cette région est également activée par de nouveaux stimuli, ce qui laisse penser que la nouveauté et la récompense ont des propriétés fonctionnelles communes. Il n’est actuellement pas clair si les aspects fonctionnels du traitement des récompenses dans le SN / VTA, à savoir l’activation par des récompenses inattendues et des signaux prédictifs de la récompense, caractérisent également le traitement de la nouveauté. Pour répondre à cette question, nous avons mené une expérience d’IRMf au cours de laquelle des sujets ont visionné des signaux symboliques prédictifs d’images de scènes nouvelles ou familières avec une validité de 75%. Nous montrons que SN / VTA a été activé par des signaux prédictifs de nouvelles images ainsi que par des images inattendues inédites, qui suivaient des signaux prédictifs de familiarité, une réponse de «nouveauté inattendue». L'hippocampe, une région impliquée dans la détection et le codage de nouveaux stimuli, a montré une réponse anticipée à la nouveauté, mais différait du profil de réponse de SN / VTA en répondant au résultat à la nouveauté attendue et «inattendue». Dans une extension comportementale de l'expérience, le souvenir a augmenté par rapport à la familiarité lors de la comparaison d'une mémoire de reconnaissance retardée pour de nouveaux stimuli anticipés avec de nouveaux stimuli inattendus. Ces données révèlent des points communs dans les réponses des SN / VTA pour anticiper les récompenses et anticiper de nouveaux stimuli. Nous suggérons que cette réponse anticipée code un signal de nouveauté exploratoire de motivation qui, associé à l'activation anticipée de l'hippocampe, conduit à un codage amélioré des événements nouveaux. En termes plus généraux, les données suggèrent que le traitement dopaminergique de la nouveauté pourrait jouer un rôle important dans l'exploration de nouveaux environnements.
Introduction
Les enregistrements mononones chez les animaux et les récentes études d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) chez l'homme fournissent des preuves convergentes du fait que la région du cerveau moyen SN / VTA est activée non seulement par récompense (Schultz, 1998) mais aussi par de nouveaux stimuli même en l'absence de renforcement (Schultz et al., 1997; Schott et al., 2004; Bunzeck et Duzel, 2006). L'activation de SN / VTA par la nouveauté soulève la possibilité que la nouveauté ait des propriétés intrinsèquement gratifiantes. Si tel est le cas, les caractéristiques du traitement des récompenses, telles que le décalage temporel des réponses dans le conditionnement, devraient également être valables pour le traitement de la nouveauté. Dans les paradigmes d’anticipation de récompense, les neurones dopaminergiques codent la prévision de récompense lorsque la contingence entre un stimulus prédictif et la délivrance de récompense ultérieure a été apprise. Plus précisément, ces neurones répondent au premier prédicteur fiable de la récompense, mais ne répondent plus à une récompense (Ljungberg et al., 1992; Schultz et al., 1992, 1997; Schultz, 1998). Il n'est pas clair si le traitement de nouveauté dans le SN / VTA montre également ces propriétés liées à la récompense.
L’hippocampe joue un rôle crucial dans la formation de mémoires épisodiques à long terme pour de nouveaux événements (Vargha-Khadem et al., 1997; Duzel et al., 2001) et considéré comme l’input majeur d’un signal de nouveauté en SN / VTA (Lisman et Grace, 2005). La dopamine libérée par les neurones SN / VTA, à son tour, est essentielle pour la stabilisation et le maintien de la potentialisation à long terme (LTP) et de la dépression à long terme (LTD) dans la région de l'hippocampe CA1 (Frey et al., 1990, 1991; Huang et Kandel, 1995; Sajikumar et Frey, 2004; Citron et Manahan-Vaughan, 2006; pour un examen voir Jay, 2003). Les données IRMf ont montré que l’activation conjointe SN / VTA et de l’hippocampe est associée à une formation réussie de la mémoire à long terme (Schott et al., 2006) et l'amélioration liée à la récompense du nouveau codage de stimulus (Wittmann et al., 2005; Adcock et al., 2006). À la lumière de ces preuves convergentes, les modèles récents de formation de la mémoire dépendante de l’hippocampe soulignent une relation fonctionnelle entre la détection de la nouveauté dans l’hippocampe et l’amélioration de la plasticité de l’hippocampe par une modulation dopaminergique induite par la nouveauté découlant du SN / VTA (Lisman et Grace, 2005). Par conséquent, la question de savoir si le SN / VTA est activé en anticipant la nouveauté dépasse la compréhension conceptuelle de la relation entre nouveauté et récompense pour englober les mécanismes de la plasticité de l'hippocampe. De plus, il a récemment été suggéré que la compréhension du lien entre la nouveauté et le traitement des récompenses dans SN / VTA pourrait révéler des liens entre la motivation, le comportement de recherche de nouveauté et l'exploration (Bunzeck et Duzel, 2006; Knutson et Cooper, 2005).
Nous avons étudié les réponses anticipées aux stimuli nouveaux et familiers dans un paradigme IRMf modelé sur des procédures d’anticipation des récompenses (Fig. 1). Les carrés colorés ont servi d’indices pour prédire la présentation ultérieure d’images de scènes nouvelles ou déjà familiarisées. Les sujets ont été priés d'assister à chaque repère et d'indiquer ensuite aussi rapidement et précisément que possible si l'image suivante était familière ou nouvelle. L’expérience IRMf nécessitant un grand nombre d’essais, nous avons également réalisé une version purement comportementale dans laquelle les nombres d’essais étaient plus optimaux pour évaluer dans quelle mesure la performance de la mémoire épisodique était affectée par l’anticipation de la nouveauté à l’aide du paradigme mémoriser / savoir (Tulving, 1985).
Procédures expérimentales
Sujets
Quinze adultes en bonne santé (âge moyen [± ET] 24.5 ± 4.0 ans, tous droitiers, 7 hommes) ont participé à l'expérience. Tous les participants ont donné leur consentement éclairé écrit pour participer, et l'étude était conforme aux directives du comité d'éthique de l'Université de Magdebourg, Faculté de médecine.
Paradigme expérimental
Nous avons utilisé 245 photographies de paysages en niveaux de gris avec une luminance normalisée. Les participants ont reçu des instructions écrites, y compris des impressions de cinq photos qui avaient été sélectionnées pour se familiariser. Avant d'entrer dans le scanner, chacune de ces images a été présentée huit fois sur un écran d'ordinateur dans un ordre aléatoire (durée: 1500 ms, ISI: 1200 ms) tandis que les participants ont été invités à regarder attentivement. Dans le scanner, des images anatomiques et fonctionnelles ont été collectées. Les participants ont participé à 12 séances d'une durée de 5.7 minutes, chacune contenant 40 essais d'une durée de 4.5 à 12 s. Au cours de chaque essai, les participants ont vu un carré jaune ou bleu (1500 ms) indiquant avec une précision de 75% si l'image suivante serait familière ou nouvelle (voir Fig. 1A pour tâche et instructions). Après un délai variable (0 à 4.5 s), une image de la catégorie prédite a été présentée dans 75% des essais, et une image de la catégorie imprévue, nouvelle suite à un signal de familiarité et familière suite à une indication de nouveauté, a été présentée dans 25 % des essais (1500 ms). Les deux catégories ont été présentées également souvent. Les participants ont indiqué par une pression rapide sur le bouton (index droit ou gauche ou majeur) si l'image appartenait ou non à la catégorie familière. Une phase de fixation de durée variable a suivi (1.5 à 4.5 s). Les couleurs de repère associées à chaque catégorie d'image ont été contrebalancées entre les participants, ainsi que la main qui a répondu et l'affectation des doigts aux catégories.
procédures IRMf
Nous avons acquis 226 images écho-planaires (EPI) par session sur un scanner 3 T (Siemens Magnetom Trio, Erlangen, Allemagne) avec un TR de 1.5 s et un TE de 30 ms. Les images consistaient en 24 coupes le long de l'axe longitudinal du mésencéphale (matrice 64 × 64; champ de vision: 19.2 cm; taille du voxel: 3 × 3 × 3 mm) recueillies dans une séquence entrelacée. Ce volume partiel couvrait l'hippocampe, l'amygdale, le tronc cérébral (y compris le diencéphale, le mésencéphale, le pons et la moelle allongée) et des parties du cortex préfrontal. Le bruit du scanner a été réduit avec des bouchons d'oreille et les mouvements de la tête des sujets ont été minimisés avec des coussinets en mousse. La séquence et le moment du stimulus ont été optimisés pour une meilleure efficacité concernant la séparation fiable des réponses hémodynamiques liées aux indices et aux résultats (Hinrichs et al., 2000). Une séquence EPI de récupération par inversion (IREPI) a été acquise pour chaque sujet afin d’améliorer la normalisation. Les paramètres de balayage étaient les mêmes que pour la séquence EPI mais avec une couverture complète du cerveau.
Le prétraitement et l'analyse des données ont été effectués à l'aide du logiciel de cartographie statistique paramétrique implémenté dans Matlab (SPM2; Wellcome Trust Center for Neuroimaging, Institute of Neurology, Londres, Royaume-Uni). Les images EPI ont été corrigées pour la synchronisation et le mouvement des tranches, puis normalisées spatialement au modèle de l'Institut neurologique de Montréal en déformant l'IREPI anatomique du sujet sur le modèle SPM et en appliquant ces paramètres aux images fonctionnelles, les transformant en voxels de taille 2 × 2 × 2 mm. Ils ont ensuite été lissés à l'aide d'un noyau gaussien de 4 mm.
Pour l'analyse statistique, les données ont été ajustées voxel par voxel sur leur moyenne globale et filtrées par passe-haut. L’activité liée à l’essai pour chaque sujet a été évaluée en convoluant un vecteur de début d’essais avec une fonction de réponse hémodynamique canonique et ses dérivées temporelles (Friston et al., 1998). Un modèle linéaire général (GLM) a été spécifié pour chaque participant afin de modéliser les effets d'intérêt en utilisant deux déclenchements par essai, un pour le début du signal et un pour le résultat (les covariables étaient les suivantes: marqueur de nouveauté, de familiarité, résultat nouveau attendu ou inattendu, résultat attendu / inattendu / inattendu (résultat familier inattendu) et six covariables sans intérêt capturant les artefacts résiduels liés au mouvement. Les contrastes suivants ont été analysés: indices nouveaux par rapport aux signaux familiers, résultats nouveaux par rapport aux résultats connus, résultats inattendus par rapport aux résultats attendus, résultats inattendus par rapport aux résultats nouveaux et attendus par rapport aux résultats connus. Après avoir créé des cartes paramétriques statistiques pour chaque participant en appliquant des contrastes linéaires aux estimations des paramètres, une analyse des effets aléatoires de second niveau a été réalisée pour évaluer les effets de groupe. Étant donné notre hypothèse a priori d’activation des systèmes de récompense et de l’hippocampe, la signification de ces effets a été testée sur un échantillon unique. t-tests à un seuil de p <0.005, non corrigé et une taille de cluster minimale de k = 5 voxels, sauf indication contraire. Une correction sphérique de petit volume a ensuite été réalisée centrée sur les voxels de pointe, en utilisant des diamètres correspondant à la taille des structures [7.5 mm pour les activations dans l'hippocampe antérieur (voir Lupien et al., 2007) et 4.5 mm pour les activations dans la substantia nigra (voir Geng et al., 2006)]. Les valeurs bêta des voxels de pointe dans la substantia nigra et l'hippocampe ont été extraites et corrigées avec la valeur du FRH pour le niveau général d'activation dans l'essai pour donner le pourcentage de changement de signal. Toutes les moyennes comportementales sont données sous forme de valeurs moyennes ± erreur standard de la moyenne (SEM).
Pour localiser l'activité du cerveau moyen, des cartes d'activation ont été superposées à une image moyenne d'images de transfert de magnétisation (MT) spatialement normalisées 33, acquises précédemment (Bunzeck et Duzel, 2006). Sur les images MT, la substance noire peut être facilement distinguée des structures environnantes (Eckert et al., 2004). Pour faciliter la localisation des activations, les voxels de chaque contraste ont été transférés dans l’espace de Talairach (Talairach et Tournoux, 1988) en utilisant la fonction Matlab mni2tal.m (Matthew Brett, 1999) et adapté aux zones anatomiques à l’aide du logiciel Talairach Daemon Client (Lancaster et al., 2000; Version 1.1, Centre d’imagerie de recherche, Centre des sciences de la santé de l’Université du Texas à San Antonio). Toutes les coordonnées stéréotaxiques sont donc données dans l’espace de Talairach.
Évaluation de la mémoire séparée
Dans une étude de suivi comportementale distincte motivée par les résultats de l'IRMf, les participants à 12 (homme de 2) ont effectué les mêmes procédures de familiarisation et d'anticipation de la nouveauté que celles mises en œuvre pour l'expérience d'IRMf. L'expérience comportementale a été séparée de l'expérience IRMf car la durée et le nombre de stimuli dans l'IRMf ont été optimisés pour améliorer la qualité du signal mais trop étendus pour permettre aux performances de la mémoire de rester au-dessus des chances. Par conséquent, pour faciliter la mémorisation dans l'expérience comportementale, le nombre d'essais contenant de nouvelles images attendues a été réduit à 120, le nombre d'images inattendues à 40. Un jour après la session d'étude, les participants ont terminé un test de mémoire contenant toutes les nouvelles images 160 de la phase d'étude (maintenant des images «anciennes») et de nouvelles images de distracteur 80 que les participants n'avaient jamais vues auparavant (Fig. 1B). Dans cette partie de l'étude, les participants ont pris deux décisions consécutives pour chaque image, les deux étant indiquées par le texte présenté sous l'image. La première décision était de rendre un jugement «ancien / nouveau», la deuxième décision était «se souvenir / savoir / deviner» (après une «ancienne» réponse), ou un «sûr / deviner» (après une «nouvelle» réponse) jugement. Le timing était auto-rythmé, avec un délai pour les décisions de 3 s et 2.5 s, respectivement, suivi d'une phase de fixation de 1 s avant la présentation de l'image suivante.
Résultats
Résultats comportementaux
Pour la phase d'étude, une ANOVA 2 × 2 × 2 sur les temps de réaction des participants sur des essais corrects avec la catégorie d'image des facteurs (roman / familier), l'attente (attendue / inattendue) et le groupe (groupe scanné / groupe mémoire) a montré les principaux effets de catégorie d'image et attente et une interaction entre l'effet de groupe et de catégorie d'image (voir Tableau 1 pour les temps de réaction; effet de catégorie: F[1,25] = 31.57, p <0.001; effet d'attente: F[1,25] = 8.47, p <0.01; effet d'interaction: F[1,25] = 5.49, p <0.05). Post hoc jumelé t-Les tests ont confirmé que les temps de réaction des images habituelles attendues et des nouvelles images attendues étaient nettement plus courts que ceux des images inattendues correspondantes (p <0.01 et p <0.05, respectivement). Les temps de réaction pour les images familières attendues et inattendues étaient significativement plus courts que pour les images romanes correspondantes (p <0.001 et p = 0.001, respectivement). L'effet d'interaction ne résultait pas d'un effet de catégorie significatif dans un seul groupe de participants, car t- les tests comparant les temps de réaction à des images nouvelles et familières étaient significatifs pour les deux groupes (p <0.05 pour le groupe scanné et p <0.001 pour le groupe mémoire). Ces résultats confirment que les participants ont prêté attention aux signaux et les ont utilisés pour obtenir un avantage comportemental pour la discrimination des images nouvelles et familières. Les taux de réponse corrects ne différaient pas entre les catégories ou entre les groupes (moyenne pour les images romanes attendues: 95.1% ± 3.7%, pour les images romanes inattendues: 94.1 ± 3.6%, pour les images familières attendues: 93.8% ± 3.9% et pour les images familières inattendues : 93.4% ± 3.5%).
Nous avons ensuite analysé les résultats du test de mémoire effectué 1 le lendemain de la phase d’étude du suivi comportemental. Une ANOVA à deux voies avec les facteurs mémoire (taux de mémorisation / réponse corrigé) et d'anticipation de nouveauté (attendu / inattendu) a montré un effet d'interaction (F[1,11] = 5.66, p <0.05). Post hoc jumelé t-le test a révélé une différence significativement plus élevée entre les taux de mémorisation / connaissance corrigés pour les images romanes attendues (8.9 ± 5%) et inattendues (0.9 ± 4%) (p <0.05; pour les taux de réponse, voir Tableau 2). En complément post-pair t-les tests ont confirmé que ni le taux de mémorisation corrigé par rapport au taux de connaissance corrigé ni le taux attendu ou inattendu n'étaient significativement différents. La proportion de réponses supposées ne différait pas entre les catégories (11.1 ± 2.3% pour les images attendues et 12.3 ± 2.4% pour les images inattendues).
Nous avons également analysé les contributions du souvenir et de la familiarité sous une hypothèse d’indépendance sur la base d’un modèle largement accepté (Yonelinas et al., 1996), selon laquelle le souvenir représente un processus de seuil dépendant de l'hippocampe, alors que la familiarité représente un processus de détection de signal pouvant être pris en charge en l'absence d'un hippocampe intact. Le souvenir a été estimé en soustrayant le taux de mémorisation de fausses alarmes (RFA) du taux de mémorisation. La familiarité a été estimée en calculant d'abord les réponses de familiarité (FR, voir l'équation ci-dessous), puis en obtenant la valeur d-prime correspondante.
Afin de pouvoir comparer les estimations du souvenir (RE), qui sont les proportions de réponse en pourcentage, et les estimations de la familiarité (FE), qui sont d'valeurs, les deux mesures ont été transformées en z-cotes avant analyses statistiques. Une ANOVA à deux facteurs avec les facteurs mémoire (estimation du souvenir / estimation de la familiarité) et anticipation de la nouveauté (attendu / inattendu) a confirmé l'effet d'interaction obtenu dans l'ANOVA sur les taux de réponse (F[1,11] = 5.78, p <0.05).
résultats IRMf
Les signaux menant à l’anticipation de nouvelles images, par opposition à l’anticipation d’images connues, ont entraîné une activité nettement supérieure dans les zones du cerveau qui forment le système dopaminergique (striatum gauche; cerveau moyen, très probablement le SN; Les figs. 2UN B; Tableau 3), zones précédemment associées à l’anticipation des récompenses (Knutson et al., 2001a, b; O'Doherty et coll., 2002; pour un examen voir Knutson et Cooper, 2005). Pour le contraste des résultats, des résultats inattendus par rapport aux résultats attendus ont également activé le bon SN / VTA (Les figs. 4UN B; Tableau 4). Ce modèle d’activation ressemble à un modèle d’activation observé dans le cerveau moyen dopaminergique avec des paradigmes de récompense où les neurones dopaminergiques signalent une erreur de prédiction dans la récompense (Schultz et al., 1997). En revanche, l'activité en réponse aux indices de familiarité et aux images inattendues par rapport aux images familières attendues ne montre pas ce schéma. Ainsi, ces résultats établissent des parallèles entre le traitement de la nouveauté et de la récompense dans le SN / VTA.
Dans l’hippocampe, l’anticipation de la nouveauté et les nouveaux résultats ont été associés à une activité bilatérale accrue par rapport à l’anticipation et au résultat de stimuli connus (Figues. 2C, D et 3; Tableau 3). L’hippocampe droit était également plus actif pour les nouvelles images inattendues que pour les nouvelles images attendues (Les figs. 4C, D; Tableau 4). De plus, l'hippocampe gauche (coordonnées de Talairach: - 36, - 14, - 14) a montré une activité plus élevée pour la présentation de toutes les images inattendues en contraste avec toutes les images attendues, cohérente avec le traitement hippocampique de la nouveauté contextuelle (Ranganath et Rainer, 2003; Bunzeck et Duzel, 2006).
Dans la phase de repérage, il y avait une corrélation positive significative entre l'activation SN / VTA droite et l'activité de l'hippocampe droit tel que testé en utilisant le pourcentage moyen de changement de signal en réponse aux signaux de nouveauté dans les voxels de pointe du contraste `` nouveauté vs anticipation de familiarité '' sur les participants ( Pearson r = 0.48, p <0.05 unilatéral; Fig. 5). Ainsi, nos données indiquent une interaction fonctionnelle ainsi que des dissociations fonctionnelles entre le SN / VTA et l'hippocampe dans le traitement de la nouveauté.
a lieu
Sur le plan comportemental, la validité des signaux était associée à un effet significatif sur les temps de réaction des sujets lors de la discrimination des stimuli nouveaux et familiers, montrant que les signaux prédisant des événements nouveaux ou familiers étaient traités par les sujets. L'analyse IRMf a révélé que les indices prédisant de nouvelles images provoquaient une activation SN / VTA significativement plus élevée que les signaux prédisant des stimuli familiers (Les figs. 2UN B; Tableau 3). Ce modèle d’activation SN / VTA en réponse à la nouveauté ressemble à un modèle trouvé dans les paradigmes de récompense où une réponse est vue au prédicteur le plus ancien de récompense (Knutson et al., 2001a; Wittmann et al., 2005). Une autre propriété du traitement des récompenses dans le SN / VTA, à savoir une activité accrue pour des récompenses inattendues par rapport aux récompenses attendues (Schultz, 1998), était également parallèle aux réponses SN / VTA à la nouveauté. L’activation du SN / VTA était plus forte en réponse à une présentation inattendue par rapport à la présentation attendue de nouveaux éléments (Les figs. 4UN B; Tableau 4). Notez qu’il est peu probable que l’activation anticipée du SN / VTA reflète la contamination du signal hémodynamique induite par de nouveaux stimuli, puisqu’il n’ya pas d’activation du SN / VTA par de nouveaux stimuli ou indicateurs de familiarité prédits, démontrant l’efficacité du protocole de gigue.
Nos résultats indiquent que la similitude entre la nouveauté et la récompense dépasse leur influence commune sur les circuits SN / VTA-hippocampe et soulève la possibilité que la nouveauté soit elle-même traitée comme une récompense. Ceci est compatible avec un certain nombre d'observations de la recherche sur l'animal, y compris des données montrant une auto-administration réduite d'amphétamine lors de l'exploration de nouveaux objets (Klebaur et al., 2001), le développement de la préférence de place pour les environnements contenant de nouveaux stimuli (Bevins et Bardo, 1999) et conditionnant à la nouveauté (Reed et al., 1996). Cependant, cette relation entre la nouveauté et la récompense n’affecte pas les inférences dérivées des protocoles de renforcement traditionnels, qui fonctionnent efficacement avec des stimuli familiers. Cela témoigne du fait que dans de nombreuses situations, il est clairement avantageux pour un agent de former des associations de récompense pour des objets très familiers. Néanmoins, nos données confirment l’idée que les propriétés intrinsèques de récompense de nouveaux stimuli peuvent être à la base de comportements exploratoires généralement observés dans de nouveaux contextes et éléments (Ennaceur et Delacour, 1988; Stansfield et Kirstein, 2006). Une autre propriété du codage neuronal SN / VTA du résultat de la récompense est le codage adaptatif (Tobler et al., 2005), qui se caractérise par un niveau différent de réaction à la même valeur de récompense attendue en fonction des récompenses alternatives disponibles dans chaque contexte. Les récompenses de valeur moyenne entraînent une réponse dopaminergique plus élevée si elles sont présentées dans un contexte de récompenses de faible valeur que dans un contexte de récompenses de valeur élevée. Cette propriété du traitement de récompense SN / VTA n'a pas encore été répliquée pour la nouveauté chez l'homme. En effet, il existe des preuves que, contrairement à récompense, la nouveauté ne serait peut-être pas codée de manière adaptative dans le SN / VTA humain (Bunzeck et Duzel, 2006), suggérant des différences fonctionnelles entre la nouveauté et la récompense qui méritent d’être approfondies.
Le profil d'activité lié au stimulus lors du traitement de la nouveauté dans l'hippocampe diffère de celui observé dans le SN / VTA. Contrairement à la SN / VTA, l’hippocampe a montré une activité plus élevée pour les nouveaux stimuli attendus (Fig. 3). De plus, l'hippocampe était davantage activé par la nouveauté contextuelle (Lisman et Grace, 2005) indépendamment de la nouveauté du stimulus, apparaissant dans sa réponse à la présentation imprévue d'images familières. Ceci confirme les données précédentes (Bunzeck et Duzel, 2006), y compris des résultats indiquant une sensibilité de cette structure aux inadéquations dans les séquences apprises (Kumaran et Maguire, 2006). L'activation de l'hippocampe par de nouveaux stimuli en soi est bien compatible avec le modèle dit de boucle VTA-hippocampe, selon lequel les signaux de nouveauté de l'hippocampe au SN / VTA résultent d'une comparaison intrahippocampique d'informations de stimulus avec des associations mémorisées (Lisman et Grace, 2005). Activation de l'hippocampe en réponse à des signaux prédictifs de nouveauté (Les figs. 2C, D; Tableau 3), d'autre part, ne peut pas être expliqué par ce modèle. Nous suggérons qu’un signal de prédiction dopaminergique induise l’activation de l’hippocampe via une entrée dopaminergique dans CA1 (Jay, 2003), une interprétation compatible avec une corrélation significative entre l'activité liée à la queue en SN / VTA et l'hippocampe trouvée dans cette étude.
Des résultats antérieurs indiquent que plusieurs zones du cerveau en dehors du système mésolimbique présentent des réponses anticipées différentielles dans les paradigmes de récompense. Un exemple récent est la démonstration de telles réponses dans le cortex visuel primaire V1 (Shuler et ours, 2006). On suppose que ces réponses sont dictées par la modulation dopaminergique. Un mécanisme similaire pourrait s'appliquer au traitement de la nouveauté. Indépendamment du fait que le cerveau moyen dopaminergique commande l'hippocampe ou inversement, la coactivation de l'hippocampe et du SN / VTA pourrait être associée à une augmentation de l'apport dopaminergique à l'hippocampe pendant l'anticipation. Ceci, à son tour, pourrait induire un état qui améliore l’apprentissage pour de nouveaux stimuli, un modèle réalisable sur le plan informatique (Blumenfeld et al., 2006).
Outre le traitement SN / VTA-hippocampe de l'anticipation de la nouveauté, d'autres régions du cerveau ont également montré une activité en réponse aux signaux de nouveauté, notamment les zones du cortex frontal précédemment associées au traitement de la nouveauté (Daffner et al., 2000; Tableau 3) et des régions du cortex parahippocampique (Duzel et al., 2003; Ranganath et Rainer, 2003). Nos hypothèses étant axées sur le traitement de la SN / VTA et de l'hippocampe, une analyse plus approfondie de ces résultats sort du cadre de la présente étude. Une étude future du réseau de nouveauté frontopariétal et de ses interactions avec le SN / VTA et l'hippocampe contribuerait considérablement à la compréhension croissante du traitement de la nouveauté.
En accord avec l’idée que la préactivation de l’hippocampe pendant l’anticipation facilite l’apprentissage, nos données comportementales montrent que les nouvelles images attendues ont engendré une différence de réponse souvenir / réponse supérieure à celle des images inattendues lorsque la mémoire a été testée 1 un jour plus tard. Une réponse de rappel nécessite de rappeler le contexte de l'épisode d'étude et reflète donc la mémoire épisodique par opposition à l'aspect non épisodique de la mémoire de reconnaissance basé sur la familiarité (Tulving, 1985; Duzel et al., 2001; Yonelinas et al., 2002). L’hippocampe a été associé à la formation de mémoire épisodique dans des études antérieures (par exemple Brewer et al., 1998; Wittmann et al., 2005; Daselaar et al., 2006), et les lésions de l’hippocampe altèrent principalement l’élément souvenir de la reconnaissance (Duzel et al., 2001; Aggleton et Brown, 2006). Nous avons récemment signalé que la mémoire des stimuli prédictifs de récompense était également associée à un ratio souvenir / savoir plus élevé par rapport aux stimuli prédictifs de l'absence de récompense (Wittmann et al., 2005), et cette amélioration de la mémoire était associée à une augmentation de l'activation de SN / VTA et de l'hippocampe en réponse à des stimuli prédictifs de récompense au moment de l'encodage. Nos résultats actuels étendent ces résultats pour incorporer une amélioration de la plasticité de l'hippocampe induite par le SN / VTA et établie par le plus ancien prédicteur de nouveauté. Fait intéressant, les récentes données électrophysiologiques tirées d’enregistrements sur le cuir chevelu mettent en évidence une relation entre l’activité cérébrale peu de temps avant l’apparition d’un nouveau stimulus et la mémoire épisodique de ce stimulus (Otten et al., 2006). Nos données suggèrent que l'anticipation de la nouveauté pourrait être un mécanisme par lequel l'activité pré-stimulus pourrait moduler le codage du stimulus. Nos résultats étendent également les données IRMf récentes où l'espérance de récompense et l'anticipation d'un stimulus émotionnel amélioraient la mémoire (Adcock et al., 2006; Mackiewicz et al., 2006).
Le chevauchement fonctionnel et anatomique entre le traitement de la récompense et celui de la nouveauté dans le SN / VTA pourrait bien renforcer le comportement exploratoire, permettant aux animaux de trouver de nouvelles sources de nourriture et de coder leur emplacement, améliorant ainsi la survie. Une piste intéressante pour les recherches futures sera de déterminer la relation entre l'anticipation de la nouveauté et un trait de personnalité à la recherche de nouveauté. Chez les humains, la recherche accrue de nouveautés est associée au jeu et à la dépendance (Spinella, 2003; Hiroi et Agatsuma, 2005) évoquant la possibilité d'un arbitrage entre les effets bénéfiques de l'anticipation de la nouveauté dans la mémoire et les effets indésirables liés à la dépendance. Une meilleure compréhension de la relation entre l'anticipation de la nouveauté, la formation de la mémoire et la recherche de nouveauté pourrait également éclairer la recherche sur les déficits de mémoire spécifiques trouvés dans les dysfonctionnements dopaminergiques tels que la maladie de Parkinson et la schizophrénie.
Dans les études sur le traitement des récompenses sur des animaux monocellulaires, l'observation selon laquelle le SN / VTA répond à la fois aux prédictions de récompenses et aux récompenses inattendues a inspiré des modèles de «différence temporelle» (TD) de traitement des récompenses (Schultz, 1998, 2002). Il convient de noter que, dans notre étude, les activations d’IRMf pour anticiper la nouveauté et la nouveauté inattendue se situaient dans des parties légèrement différentes du SN / VTA. Cela laisse supposer qu'il pourrait exister des différences de réponse régionales entre la prédiction de récompense et les réponses de récompense inattendues chez les animaux également, et que des études sur un seul neurone de l'anticipation de la nouveauté et de la nouveauté inattendue pourraient également montrer que les réponses neuronales correspondantes sont situées dans différentes parties du SN. / VTA. Une mise en garde ici est le fait que nous ne pouvons pas exclure la possibilité que, dans notre étude, la même population neuronale ayant répondu à la prédiction de la nouveauté ait également répondu à la nouveauté inattendue.
En résumé, nos données IRMf indiquent que la formation de l'hippocampe et le SN / VTA remplissent des fonctions en partie différentes dans la prédiction et le traitement de la nouveauté. Le SN / VTA traite la prévisibilité et l’hippocampe la présence anticipée et réelle de la nouveauté dans un contexte donné. Nos résultats, combinés à nos données comportementales, suggèrent que la coactivation de la SN / VTA et de l'hippocampe au prédicteur le plus précoce de la nouveauté dans la phase de prestimulus conduit à une meilleure formation de la mémoire pour le prochain stimulus. Ces résultats fournissent la preuve d'une relation étroite entre le traitement de la récompense et la nouveauté d'un stimulus et étendent les modèles récents d'interaction dopaminergique-hippocampe. Ils soulignent l'importance de la période de pré-stimulation pour le codage épisodique. Les effets de la nouveauté sur le codage pourraient donc dépendre de l’induction d’un état d’anticipation dans le système de mémoire temporelle médiale, sous l’influence des influences modulatrices des zones dopaminergiques du cerveau moyen. Cependant, les données IRMf ne fournissent pas de preuves directes de l'implication de systèmes de neurotransmetteurs spécifiques. Néanmoins, l'IRMf est un outil précieux pour enquêter sur les activités liées aux événements dans le SN / VTA chez l'homme. L’intégration d’approches génétiques moléculaires dans la neuroimagerie (Schott et al., 2006) et une IRMf pharmacologique pourraient aider à mieux élucider le rôle des systèmes émetteurs neuromodulateurs dans le traitement de la nouveauté chez l'homme et la relation entre les réponses SN / VTA et la neurotransmission dopaminergique.
Remerciements
Ce travail a été financé par des subventions de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (KFO [Contrôle cognitif de la mémoire, TP3]). Nous remercions Michael Scholz de son aide pour la conception de l'IRMf, Kolja Schiltz de son aide pour l'analyse de l'IRMf et Kerstin Möhring, Ilona Wiedenhöft et Claus Tempelmann de son aide pour l'analyse de l'IRMf.
Bibliographie
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