Régulation corticale préfrontal de la dynamique du circuit cérébral et du comportement lié aux récompenses (2016)

Science 1 Janvier 2016: Vol. 351 no. 6268

DOI: 10.1126 / science.aac9698

Abstract

La motivation pour la récompense engendre des comportements adaptatifs, alors qu'une altération de la perception et de l'expérience de la récompense (anhédonie) peut contribuer à des maladies psychiatriques, y compris la dépression et la schizophrénie. Nous avons cherché à tester l'hypothèse selon laquelle le cortex préfrontal médian (mPFC) contrôle les interactions entre des régions sous-corticales spécifiques qui régissent les réponses hédoniques. En utilisant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle optogénétique pour manipuler localement mais pour visualiser globalement l’activité neuronale chez le rat, nous avons constaté que la stimulation des neurones dopaminergiques induisait l’activité striatale, alors que l’excitabilité localement accrue de la mPFC réduisait cette réponse striatale et inhibait le comportement comportemental de la stimulation dopaminergique. Cette suractivité chronique de mPFC supprime également de manière stable les comportements naturels motivés par la récompense et induit de nouvelles interactions fonctionnelles spécifiques à l’échelle du cerveau, qui permettent de prédire le degré d’anhédonie chez les individus. Ces résultats décrivent un mécanisme par lequel mPFC module l'expression du comportement de recherche de récompense en régulant les interactions dynamiques entre des régions sous-corticales lointaines spécifiques.

Un moyen de moduler la recherche de récompense

Quelles régions du cerveau sont impliquées de manière causale dans le comportement lié aux récompenses? Ferenczi et al. Manipulations optogénétiques combinées focales, spécifiques à un type de cellule, avec imagerie cérébrale, tests comportementaux et électrophysiologie in vivo (voir Perspective de Robbins). La stimulation des neurones à dopamine du cerveau moyen a augmenté l'activité dans une région du cerveau appelée le striatum et était corrélée à la recherche de récompense parmi des animaux individuels. Cependant, l'excitabilité élevée d'une zone appelée le cortex préfrontal médian a réduit à la fois les réponses striatales à la stimulation des neurones à dopamine et la motivation comportementale à rechercher la stimulation des neurones à dopamine. Enfin, la modulation de l’excitabilité des neurones pyramidaux du cortex préfrontal médian a entraîné des modifications de la synchronie des circuits neuronaux, ainsi que le comportement anhédonique correspondant. Ces observations ressemblent aux phénotypes cliniques et d'imagerie observés dans les cas de dépression, de dépendance et de schizophrénie chez l'homme.

INTRODUCTION

La volonté de rechercher et d’expérimenter les récompenses est conservée d’une espèce à l’autre et implique, chez les mammifères, des interactions entre les systèmes dopaminergiques sous-corticaux et des structures limbiques telles que le striatum. La déficience de ce processus, observée dans un certain nombre de conditions psychiatriques, est le symptôme clinique de l'anhédonie (perte de jouissance). Les mécanismes neuronaux sous-jacents à l'anhédonie sont inconnus mais pourraient résulter d'interactions anormales entre les circuits de récompense corticaux et sous-corticaux. Nous avons cherché à vérifier l'hypothèse selon laquelle l'excitabilité du cortex préfrontal médian (mPFC) élevée (caractéristique clinique associée à l'anhédonie) exerce un contrôle suppressif sur les interactions entre deux régions sous-corticales lointaines: le cerveau moyen dopaminergique et le striatum.

RAISONNEMENT

Des études d'imagerie clinique ont mis en évidence une activité élevée de la mPFC chez des patients atteints de dépression et le traitement est associé à la normalisation de cette suractivité et à l'amélioration des symptômes anhédoniques. De plus, des études sur l'homme ont identifié des zones du cerveau qui répondent à l'anticipation et à l'expérience de la récompense, et cette réponse peut être supprimée dans les maladies psychiatriques. Cependant, la source de ce signal de récompense et les mécanismes sous-jacents à sa modulation n'ont pas été démontrés de manière causale. Nous avons intégré un ensemble varié d'outils optogénétiques chroniques et aigus avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) afin de créer un pont entre la spécificité cellulaire causale de l'optogénétique des rongeurs et les observations à l'échelle du cerveau qui caractérisent la neuroimagerie humaine, dans le but de manipuler localement et globalement visualiser l'activité neuronale pour comprendre la régulation du comportement de recherche de récompense.

RÉSULTATS

Nous démontrons que la stimulation des neurones dopaminergiques du cerveau moyen stimule à la fois l'activité BOLD de l'oxygène dans le sang (IRM) striatale IRMf et le comportement de recherche de récompense, et nous montrons qu'ils sont corrélés entre les individus. Nous constatons en outre que le silence des neurones dopaminergiques inhibe l'activité du striatum, ainsi que d'autres régions du cerveau (telles que l'hypothalamus), et entraîne un comportement d'évitement. Après avoir établi ce contrôle bidirectionnel du comportement de recherche de récompense, nous avons ensuite testé la perturbation de ce circuit via une élévation de l'excitabilité de mPFC. Nous avons observé la suppression des réponses striatales à la dopamine, ainsi que la volonté comportementale de rechercher la stimulation des neurones dopaminergiques et d'autres stimuli naturels gratifiants. Enfin, nous démontrons qu'une excitabilité de mPFC élevée et stable synchronise l'activité BOLD corticolimbique et l'électrophysiologie, ce qui permet de prédire le comportement anhédonique de chaque animal.

CONCLUSION

Nos résultats d’expériences impliquant un contrôle local spécifique à une cellule, simultanément à une observation globale impartiale de l’activité neuronale, révèlent que la mPFC exerce un contrôle descendant sur les interactions dopaminergiques du cerveau moyen avec le striatum et que, si elle est élevée, une activité dans la mPFC peut supprimer la récompense naturelle. comportement lié. De plus, nous observons que la dynamique neuronale cortico-sous-corticale fonctionne de concert pour réguler le traitement des récompenses. Toutes ces découvertes ont des implications pour notre compréhension de la physiologie et du comportement naturels liés à la récompense, ainsi que de la pathogenèse de l'anhédonie.

L'IRMf optogénétique a été utilisée pour manipuler localement et visualiser globalement l'activité neuronale à l'échelle du cerveau liée à la récompense. Les rats habitués ont été scannés à l'état éveillé (photographies du haut). Nous établissons que l’activité striatale BOLD est augmentée par la stimulation optogénétique des neurones dopaminergiques et diminuée par le silençage neural optogénétique. Nous démontrons que l'excitabilité focalisée élevée des mPFC supprime le comportement de recherche de récompense en exerçant un contrôle de haut en bas sur l'activité induite par la dopamine striatale et entraîne la synchronie entre des circuits corticolimbiques spécifiques.