Comment le cerveau réagit à des événements surprenants

Selon une étude du MIT, lorsque votre cerveau a besoin que vous prêtiez attention à quelque chose d’important, une façon de le faire est d’envoyer une bouffée de noradrénaline.

Ce neuromodulateur, produit par une structure profonde du cerveau appelée locus coeruleus, peut avoir des effets étendus dans tout le cerveau. Dans une étude sur des souris, l’équipe du MIT a découvert que l’un des rôles clés de la noradrénaline, également connue sous le nom de noradrénaline, est d’aider le cerveau à apprendre à partir de résultats surprenants.

«Ce que ce travail montre, c’est que le locus coeruleus encode des événements inattendus et qu’il faut prêter attention à ces événements surprenants qui sont cruciaux pour que le cerveau fasse le point sur son environnement de professeur», déclare Mriganka Sur, le Newton des neurosciences au Département du cerveau et du cerveau du MIT. Cognitive Sciences, membre du Picower Institute for Learning and Memory du MIT et directeur du Simons Center for the Social Brain.

En plus de son rôle dans la signalisation de la surprise, les chercheurs ont également découvert que la noradrénaline aide à stimuler le comportement qui mène à une récompense, en particulier dans les situations où il existe une incertitude quant à savoir si une récompense sera offerte.

Sur est l’auteur principal de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans La nature. Vincent Breton-Provencher, un ancien postdoctorant du MIT qui est maintenant professeur adjoint à l’Université Laval, et Gabrielle Drummond, une étudiante diplômée du MIT, sont les principaux auteurs de l’article.

Comportement modulant

La noradrénaline est l’un des nombreux neuromodulateurs qui influencent le cerveau, avec la dopamine, la sérotonine et l’acétylcholine. Contrairement aux neurotransmetteurs, qui permettent la communication de cellule à cellule, les neuromodulateurs sont libérés sur de larges pans du cerveau, ce qui leur permet d’exercer des effets plus généraux.

«On pense que les substances neuromodulatrices perfusent de vastes zones du cerveau et modifient ainsi la commande excitatrice ou inhibitrice que les neurones reçoivent d’une manière plus point à point», explique Sur. “Cela suggère qu’ils doivent avoir des fonctions cérébrales très cruciales qui sont importantes pour la survie et pour la régulation de l’état du cerveau.”

Alors que les scientifiques ont beaucoup appris sur le rôle de la dopamine dans la motivation et la recherche de récompenses, on en sait moins sur les autres neuromodulateurs, y compris la noradrénaline. Il a été lié à l’éveil et à l’augmentation de la vigilance, mais trop de noradrénaline peut entraîner de l’anxiété.

Des études antérieures sur le locus coeruleus, la principale source de noradrénaline du cerveau, ont montré qu’il reçoit des informations de nombreuses parties du cerveau et envoie également ses signaux très loin. Dans la nouvelle étude, l’équipe du MIT a entrepris d’étudier son rôle dans un type spécifique d’apprentissage appelé apprentissage par renforcement, ou apprentissage par essais et erreurs.

Pour cette étude, les chercheurs ont entraîné des souris à pousser un levier lorsqu’elles entendaient une tonalité à haute fréquence, mais pas lorsqu’elles entendaient une tonalité à basse fréquence. Lorsque les souris ont répondu correctement à la tonalité à haute fréquence, elles ont reçu de l’eau, mais si elles ont poussé le levier lorsqu’elles ont entendu une tonalité à basse fréquence, elles ont reçu une bouffée d’air désagréable.

Les souris ont également appris à pousser le levier plus fort lorsque les tonalités étaient plus fortes. Lorsque le volume était plus faible, ils étaient plus incertains quant à savoir s’ils devaient pousser ou non. Et, lorsque les chercheurs ont inhibé l’activité du locus coeruleus, les souris sont devenues beaucoup plus hésitantes à pousser le levier lorsqu’elles entendaient des tonalités à faible volume, ce qui suggère que la noradrénaline encourage à tenter sa chance d’obtenir une récompense dans des situations où le gain est incertain.

“L’animal pousse parce qu’il veut une récompense, et le locus coeruleus fournit des signaux critiques pour dire, poussez maintenant, car la récompense viendra”, explique Sur.

Les chercheurs ont également découvert que les neurones qui génèrent ce signal de noradrénaline semblent envoyer la majeure partie de leur sortie au cortex moteur, ce qui offre davantage de preuves que ce signal stimule les animaux à agir.

Signal de surprise

Bien que cette bouffée initiale de noradrénaline semble stimuler les souris à agir, les chercheurs ont également découvert qu’une seconde bouffée se produit souvent après la fin de l’essai. Lorsque les souris recevaient une récompense attendue, ces rafales étaient petites. Cependant, lorsque le résultat du procès a été une surprise, les rafales étaient beaucoup plus importantes. Par exemple, lorsqu’une souris a reçu une bouffée d’air au lieu de la récompense qu’elle attendait, le locus coeruleus a envoyé une grande bouffée de noradrénaline.

Lors d’essais ultérieurs, cette souris serait beaucoup moins susceptible d’appuyer sur le levier lorsqu’il n’était pas certain qu’elle recevrait une récompense. “L’animal ajuste constamment son comportement”, explique Sur. “Même s’il a déjà appris la tâche, il ajuste son comportement en fonction de ce qu’il vient de faire.”

Les souris ont également montré des bouffées de noradrénaline lors d’essais lorsqu’elles ont reçu une récompense inattendue. Ces sursauts semblaient propager la noradrénaline dans de nombreuses parties du cerveau, y compris le cortex préfrontal, où se produisent la planification et d’autres fonctions cognitives supérieures.

“La fonction d’encodage surprise du locus coeruleus semble être beaucoup plus répandue dans le cerveau, et cela peut avoir un sens car tout ce que nous faisons est modéré par surprise”, explique Sur.

Les chercheurs prévoient maintenant d’explorer la synergie possible entre la noradrénaline et d’autres neuromodulateurs, en particulier la dopamine, qui répond également à des récompenses inattendues. Ils espèrent également en savoir plus sur la façon dont le cortex préfrontal stocke la mémoire à court terme de l’entrée du locus coeruleus pour aider les animaux à améliorer leurs performances lors d’essais futurs.

La recherche a été financée, en partie, par les Fonds de recherche du Québec, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, une bourse NARSAD pour jeunes chercheurs de la Fondation de recherche sur le cerveau et le comportement, les National Institutes of Health, la Simons Foundation Autism Research Initiative par le biais le Centre Simons pour le cerveau social, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et l’initiative NIH BRAIN.

Republié avec la permission de MIT News. Lire l’article d’origine.

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