ABOVE : Pour capturer des mesures simultanées et continues des neuromodulateurs dopamine et sérotonine, les auteurs de l’étude ont conçu une microélectrode capable de prendre 10 mesures par seconde.
VIRGINIA TECH
Longtemps associées à la récompense et au plaisir, la dopamine et la sérotonine peuvent également être impliquées dans la cognition générale, façonnant la façon dont les gens perçoivent le monde et agissent sur ces perceptions, selon une nouvelle étude.
Pour la première fois, des chercheurs ont surveillé en continu et simultanément les deux neuromodulateurs dans le cerveau humain. Les résultats, publiés le 12 octobre dans la revue Neuron, offrent de nouvelles possibilités de tester des hypothèses étudiées jusqu’alors principalement dans des modèles animaux.
« Cette étude ne se contente pas de mesurer la dopamine et la sérotonine ; elle s’appuie sur la fondation profonde qui examine les mécanismes neuronaux des décisions perceptives chez les animaux et les humains » et relie les résultats de ces études entre eux, explique à The Scientist Tim Hanks, neuroscientifique à l’Université de Californie, Davis, qui n’a pas participé à l’étude. « Il est de plus en plus reconnu que ont des rôles plus raffinés et plus nuancés que ce que l’on a pu croire autrefois, et cette étude rend vraiment ce cas clair dans la prise de décision humaine. »
Les deux neuromodulateurs ont été fortement étudiés chez les animaux, mais les animaux ont besoin d’un entraînement pour effectuer des tâches de prise de décision – un entraînement qui s’accompagne souvent d’une récompense. Par conséquent, il peut être difficile de dissocier la prise de décision du renforcement qu’ils reçoivent en retour. « Les animaux sont un modèle limité de la richesse des pensées et des comportements que nous observons chez les humains », explique Dan Bang, neuroscientifique à l’University College London et auteur principal de la nouvelle étude.
Voir « Comment la dopamine accorde la mémoire de travail »
Pour étudier la signalisation de la dopamine et de la sérotonine chez l’homme, l’équipe a recruté cinq volontaires qui devaient subir une opération du cerveau pour traiter soit la maladie de Parkinson, soit des tremblements essentiels, et qui ont accepté que leurs neurochimiques soient surveillés pendant l’intervention. Les chirurgiens gardent les patients éveillés pendant l’opération et utilisent des sondes pour mesurer l’activité cérébrale par sécurité. L’équipe de recherche, dirigée par Read Montague, neuroscientifique à Virginia Tech, a pu insérer sa propre microélectrode dans le noyau caudé de quatre des volontaires et dans le putamen du cinquième. Ces deux structures sont des régions du striatum et sont impliquées dans le mouvement, l’apprentissage et la récompense.
Ceci met définitivement l’importance de la dopamine et de la sérotonine sous un nouveau jour.
-Ken Kishida, Wake Forest School of Medicine
Alors qu’ils subissaient une intervention chirurgicale, chaque participant a effectué une version modifiée d’une tâche visuelle courante appelée paradigme du mouvement aléatoire du point. À chaque tour de la tâche, on montrait à une personne un nuage de points vacillants se déplaçant sur un écran. Certains points se déplacent ensemble dans la même direction, tandis que les autres se déplacent de manière aléatoire ; les proportions subissant chaque type de mouvement déterminent la difficulté de la tâche. Dans le test standard, les points disparaissent et le sujet doit indiquer s’ils se sont déplacés, en moyenne, vers la gauche ou vers la droite. Dans le protocole modifié, on montrait plutôt aux participants un angle aléatoire après la disparition des points et ils devaient décider si les points s’étaient déplacés vers la gauche ou la droite de cet angle.
De cette manière, les scientifiques ont pu faire varier la difficulté et l’incertitude de la perception d’une personne en modifiant à la fois le nombre de points se déplaçant de manière synchronisée et la proximité de leur trajectoire par rapport à l’angle de référence choisi au hasard. Après avoir fait leur choix, les participants ont évalué à quel point ils étaient sûrs de leur décision.
Une microélectrode mesurait en continu à la fois les niveaux de dopamine et de sérotonine dans le noyau caudé ou le putamen, en prenant 10 mesures chaque seconde. Les scientifiques n’avaient encore jamais été en mesure de surveiller ces neurotransmetteurs à des vitesses aussi pertinentes sur le plan biologique chez l’homme. Des méthodes moins invasives comme la TEP ou l’IRMf ne prennent généralement qu’une mesure par minute.
Dans le noyau caudé, les niveaux de sérotonine étaient liés à l’incertitude autour des perceptions chez trois des quatre participants. Lorsque la tâche était plus difficile et le résultat plus incertain, comme l’estimaient les variables de la tâche et l’incertitude autodéclarée des participants quant à leurs décisions, les niveaux de sérotonine ont connu un pic peu après l’apparition des points à l’écran. Lorsque la tâche était plus facile, la sérotonine diminuait. Dans certaines études humaines et animales antérieures, la dopamine a eu la relation inverse avec la sérotonine, et donc avec l’incertitude, mais dans la nouvelle étude, les variations des niveaux de dopamine du noyau caudé n’ont pas suivi de manière cohérente l’incertitude perceptive.
Dans le putamen, cependant, l’équipe a trouvé des preuves solides en faveur de rôles opposés pour la dopamine et la sérotonine par rapport à l’action, comme en témoigne le temps qu’il a fallu aux participants pour faire leur choix sur la direction des points. Une augmentation de la dopamine et une diminution correspondante de la sérotonine étaient toutes deux associées au choix du sujet d’agir, et tant le changement des niveaux de neuromodulateurs que la décision elle-même se produisaient plus rapidement lorsque la tâche était plus facile et moins incertaine.
Ensemble, ces résultats suggèrent qu’au-delà de leur rôle de substances chimiques de récompense, la dopamine et la sérotonine peuvent contribuer à la cognition de manière plus générale, en reliant « la façon dont nous percevons le monde et la façon dont nous prenons ensuite des décisions », explique Ken Kishida, neuroscientifique à la Wake Forest School of Medicine et coauteur de l’étude. « Cela met définitivement l’importance de la dopamine et de la sérotonine sous un nouveau jour. »
Même s’il s’agit d’une nouvelle découverte chez l’homme, elle concorde avec ce que certains chercheurs ont commencé à trouver chez les animaux, dit Armin Lak, neuroscientifique à l’Université d’Oxford qui n’a pas participé à l’étude. Dans ses propres travaux, Lak a découvert des liens entre la dopamine et la perception chez les rongeurs. « C’est vraiment agréable, pour ceux d’entre nous qui travaillent dans le domaine des neurosciences, de voir ce spectre d’études allant des animaux aux volontaires humains. »
Voir « Les implants de neurones à dopamine atténuent les symptômes de la maladie de Parkinson chez les singes »
La plus grande limite de la nouvelle étude, ajoute Lak, est la petite taille de l’échantillon. Certains des résultats de l’équipe, comme leurs données sur le putamen, proviennent d’une seule personne. Kishida souligne également que si les niveaux de dopamine variaient davantage d’une personne à l’autre que les niveaux de sérotonine, cela peut s’expliquer par le fait que certains des patients étaient atteints de la maladie de Parkinson, une maladie causée par un dérèglement de la signalisation de la dopamine.
Pour aller de l’avant, l’équipe prévoit d’affiner sa microélectrode pour reconnaître d’autres substances neurochimiques, comme la norépinéphrine. Ayant montré que les réponses des neuromodulateurs peuvent différer selon la région cérébrale, ils aimeraient également étendre leurs recherches au cortex, à l’amygdale et à l’hippocampe.
Une meilleure compréhension de la façon dont la dopamine et la sérotonine interagissent et de leurs rôles dans les différentes parties du cerveau aura également des implications importantes pour le traitement des troubles neuropsychiatriques tels que la maladie de Parkinson et la dépression, explique Hanks. De nombreux traitements ciblent ces deux modulateurs, mais ils le font dans l’ensemble du cerveau et sur des échelles de temps plus longues, de sorte qu’une meilleure connaissance pourrait conduire à des thérapies plus ciblées et plus efficaces.
« Parce que ces neuromodulateurs ont des rôles complexes qui dépendent de la région du cerveau, certains verront cela comme un défi, car cela signifie que nous ne pouvons pas simplement utiliser un médicament qui affecte de manière diffuse », explique Hanks à The Scientist. « Mais en même temps, je dirais que cela représente une formidable opportunité de rendre encore plus efficace. »
D. Bang et al., « Sub-second dopamine and serotonin signaling in human striatum during perceptual decision-making », Neuron, 108:1-12, 2020.
Clarification (16 octobre) : Le titre de cet article a été mis à jour pour mieux refléter les résultats de l’étude, et une correction a été apportée pour préciser que les niveaux de sérotonine augmentaient dans le noyau caudé lorsque les participants étaient plus incertains.
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