L'attrait de l'inconnu (2006)

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Meriwether Lewis et William Clark y ont passé des années, Edmund Hillary et Tenzing Norgay ont grimpé le mont. Everest pour cela, Neil Armstrong a volé dans l'espace pour lui, et Robert Falcon Scott est mort pour cela - une chance de découvrir quelque chose de jamais vu auparavant. Une longue tradition d'exploration humaine témoigne de la force motrice de la nouveauté. Les biologistes évolutionnistes ont fait valoir que pour prospérer, toutes les espèces butineuses doivent avoir une volonté d'explorer l'inconnu (Panksepp, 1998). La manière dont une telle pulsion se manifeste dans le cerveau n'est cependant pas claire. Dans ce numéro de Neuron, pour la première fois, Bunzeck et Düzel (2006) montrent que les régions du mésencéphale qui abritent putativement des neurones dopaminergiques répondent préférentiellement à des stimuli nouveaux plutôt que rares, excitants ou pertinents sur le plan comportementalBunzeck et Düzel, 2006).

De l'extérieur, le zone tegmentale ventrale (VTA) et substantia nigra (SN) sont faciles à manquer. Niché au fond d'un virage tronc cérébral, ces noyaux abritent le corps de la plupart des neurones dopaminergiques qui innervent le striatum et le cortex préfrontal. Traçage des tracts des études indiquent que tandis que le VTA se projette vers des régions plus ventrales du striatum et du cortex préfrontal, le SN se projette vers des régions plus dorsales et latérales du striatum et du cortex préfrontal. Bien que petits, ces noyaux sont en mesure d'exercer une influence généralisée. En effet, de l'intérieur, la vie sans ces neurones du mésencéphale est loin d'être facile. Par exemple, les lésions organiques (dues à la maladie de Parkinson) et les lésions synthétiques (dues à des médicaments mal fabriqués) du SN / VTA conduisent à une immobilité mentale et physique.

Tandis que études des lésions suggèrent que les voies dorsales innervées par le SN jouent un rôle dans le mouvement, les voies ventrales innervées par le VTA jouent un rôle moins compris dans la motivation (Haber et Fudge, 1997). Certaines théories importantes émettent l'hypothèse que l'activité dans cette voie ventrale confère une «saillance» aux stimuli (Berridge et Robinson, 1993). Cependant, les théoriciens ont défini la saillance différemment, confondant les tentatives empiriques d'isoler la fonction de ces noyaux. Par exemple, certaines définitions de la saillance invoquent la nouveauté, d'autres invoquent la pertinence comportementale et d'autres encore suscitent l'excitation.

Ici, Bunzeck et Düzel définissent opérationnellement la «saillance» de quatre manières différentes. Lors de l'acquisition de l'IRMf liée à l'événement, les enquêteurs ont montré aux sujets des images de visages ou de scènes d'extérieur incarnant différents attributs de saillance, puis ont mesuré la réponse SN / VTA à ces différents stimuli. Un premier groupe d'images était roman, ou jamais vu auparavant. Un deuxième groupe d'images était comportemental, nécessitant une pression sur un bouton. Un troisième groupe d'images était négatif et donc présumé susciter (c'est-à-dire une expression négative dans le cas des visages, ou un accident de voiture dans le cas des scènes). Un quatrième groupe d'images était distinct mais est apparu plus d'une fois (appelé «excentriques neutres»). Lorsqu'ils ne regardaient pas l'une de ces images, les sujets ont vu une image neutre répétée pour les deux tiers restants des essais. Des images apparaissent toutes les 3 s environ.

Les enquêteurs ont découvert que parmi toutes les images, de nouvelles images activaient le SN / VTA le plus puissamment, ainsi que des parties du hippocampe et striatum, suggérant que l'activation SN / VTA a répondu à la nouveauté plutôt qu'à d'autres types de saillance. D'autres types d'images ont recruté d'autres régions. De façon quelque peu surprenante, étant donné le rôle putatif des projections de dopamine dans le mouvement, les images nécessitant une réponse motrice n'ont pas activé puissamment les régions SN / VTA, recrutant plutôt un circuit moteur impliquant la noyau rouge, thalamuset cortex moteur. Les images négatives n’activaient pas non plus puissamment le SN / VTA, mais activaient plutôt plus vigoureusement d’autres régions du mésencéphale (c.-à-d. Le locus coeruleus) et la amygdale. Enfin, par rapport à l'image répétée, l'oddball neutre a activé l'hippocampe, ainsi que d'autres régions comme le cingulaire antérieur.

Les enquêteurs ont également examiné si la nouveauté améliore la mémoire. L'activation de l'hippocampe a été associée au codage des mémoires dans les études IRMf (Brewer et al., 1998, Wagner et al., 1998), et de nouvelles images ont activé cette région ainsi que le SN / VTA. Cela conduit à l'inférence que les sujets devraient montrer une mémoire supérieure pour les nouvelles images. En fait, ils ne l'ont pas fait. Au lieu de cela, comme dans d'autres recherches (Ranganath et Rainer, 2003), les sujets se souviennent mieux des images familières que des images originales. Cependant, dans une expérience distincte, les enquêteurs ont trouvé un effet contextuel intéressant dans lequel des images familières entrecoupées de nouvelles images obtenaient un boost de mémoire transitoire, détectable 20 minutes mais pas 1 jour plus tard. Cette conclusion peut être contrastée avec celles d'autres études récentes qui montrent que les signaux de récompense coactivent le SN / VTA et l'hippocampe, ce qui améliore la mémoire à long terme non seulement pour les signaux (Wittmann et al., 2005), mais aussi pour les photos qui les suivent (Adcock et al., 2006).

Ensemble, ces résultats peuvent potentiellement informer un nouveau corpus passionnant de recherches qui tente de relier la motivation et la mémoire. Une théorie récente postule que deux circuits forment une boucle, par laquelle la nouveauté peut favoriser la mémoire (Lisman et Grace, 2005). Dans le premier circuit descendant, la nouveauté active l'hippocampe, qui se synchronise sur le SN / VTA via des voies sous-corticales qui traversent le striatum ventral. Un deuxième circuit ascendant complète la boucle, dans laquelle le SN / VTA activé libère de la dopamine dans l'hippocampe, favorisant la mémorisation du nouveau stimulus. Les présents résultats fournissent un soutien partiel à la théorie de la boucle. Ils sont compatibles avec le recrutement du premier circuit, dans lequel l'hippocampe, le striatum et le SN / VTA sont activés par la nouveauté. Cependant, ils ne sont pas compatibles avec le recrutement du deuxième circuit, car les nouveaux stimuli n'étaient pas mieux mémorisés. Cependant, il y avait une augmentation transitoire de la mémoire pour les stimuli familiers dans le contexte de nouveaux stimuli. Étant donné que d'autres études d'IRMf suggèrent que les signaux de récompense activent ce deuxième circuit, ce qui correspond à un codage amélioré des stimuli ultérieurs, il se peut que les nouveaux stimuli eux-mêmes ne soient pas mieux mémorisés, mais mettent le cerveau dans un état réceptif pour se souvenir de ce qui reste à venir (ce qui pourrait être un nouveau stimulus persistant ou autre chose) (Dayane, 2002, Knutson et Adcock, 2005). Un tel mécanisme pourrait s'avérer très utile pour un animal prédicteur en quête de nourriture (Kakade et Dayan, 2002).

Les résultats soulèvent également des questions sur la valeur de récompense des nouvelles images. Par exemple, les sujets ont-ils préféré de nouvelles images à des images moins originales, émotionnelles négatives ou exigeantes en termes de comportement? L'étude n'a pas incorporé d'images émotionnelles positives, ce qui pourrait fournir une comparaison future intéressante avec de nouvelles images. On pourrait prédire que les images nouvelles et positives pourraient activer séparément le SN / VTA. Alternativement, si les effets de nouveauté sont médiés par la valeur de récompense de la nouveauté, on pourrait prédire que des images positives, intégrées dans la même expérience, pourraient «voler» l'activation SN / VTA de nouveaux stimuli.

Face à l'avancée technologique continue, des défis restent à relever pour visualiser l'activité SN / VTA avec l'IRMf. Les SN / VTA sont petits, et bien que les chercheurs en IRMf aient rapporté de manière convaincante une activation dans ces régionsAdcock et al., 2006, Knutson et al., 2005, Wittmann et al., 2005), des tailles de voxels plus petites et des noyaux de lissage spatial sont définitivement de mise. De plus, le SN / VTA se trouve à côté d'une interface tissulaire et directement au-dessus des artères pulsatoires du cercle de Willis, qui se déplacent visiblement surtout dans ces régions ventrales du cerveau (Dagli et coll., 1999). Des moyens spéciaux pour gérer les pulsations sont en cours de développement et pourraient réduire le bruit dans ces régions, y compris l'échantillonnage à déclenchement cardiaque lors de l'acquisition d'images (Guimarães et al., 1998) ou filtrage postacquisition avec le rythme cardiaque (Glover et coll., 2000). Enfin, comme l'ont noté de nombreux autres (Logothetis et Wandell, 2004), augmentation de l'IRMf dépend du niveau d'oxygène dans le sang Le signal (BOLD) pose un dilemme d'interprétation pour savoir s'il reflète les signaux entrants, les signaux sortants ou une combinaison des deux. Des études électrophysiologiques récentes commencent à suggérer qu'une augmentation de l'activation BOLD indexe principalement les changements post-synaptiques dus à l'entrée neuronale, ce qui pose naturellement la question de savoir quelles autres régions informent le VTA de l'arrivée d'un nouveau stimulus.

L'exploration ne se limite pas aux frontières physiques et aux terres étrangères. Galileo Galilei et Isaac Newton pourraient probablement s'identifier à l'excitation de regarder pour la première fois dans des mondes jusque-là inconnus. En commençant à tracer des liens entre la nouveauté, la récompense et la mémoire, Bunzeck et Düzel nous ont donné un bon départ pour comprendre la motivation qui motive les explorateurs et les scientifiques.