Parmi les neurotransmetteurs du cerveau, la dopamine a acquis un statut presque mythique. Des décennies de recherche ont établi sa contribution à plusieurs fonctions cérébrales apparemment sans rapport, notamment l’apprentissage, la motivation et le mouvement, soulevant la question de savoir comment un seul neurotransmetteur peut jouer autant de rôles différents.
Démêler les diverses fonctions de la dopamine a été difficile, en partie parce que le cerveau avancé des humains et d’autres mammifères contient différents types de neurones dopaminergiques, tous intégrés dans des circuits très complexes. Dans une nouvelle étude, Vanessa Ruta de Rockefeller et son équipe approfondissent la question en examinant plutôt le cerveau beaucoup plus simple de la mouche des fruits, dont les neurones et leurs connexions ont été cartographiés en détail.
Comme chez les humains, les neurones dopaminergiques d’une mouche fournissent un signal d’apprentissage, les aidant à lier une odeur particulière à un résultat particulier. Apprendre que, par exemple, le vinaigre de cidre de pomme contient du sucre sert à façonner le comportement futur des animaux lors de leur prochaine rencontre avec cette odeur. Mais l’équipe de Ruta a découvert que les mêmes neurones dopaminergiques étaient également fortement corrélés avec le comportement continu de l’animal. L’activité de ces neurones dopaminergiques ne code pas simplement la mécanique du mouvement, mais semble plutôt refléter la motivation ou l’objectif sous-jacent aux actions de la mouche en temps réel. En d’autres termes, les mêmes neurones dopaminergiques qui enseignent aux animaux des leçons à long terme fournissent également un renforcement instantané, encourageant les mouches à poursuivre une action bénéfique.
« Il semble y avoir un lien intime entre l’apprentissage et la motivation, deux facettes différentes de ce que fait la dopamine », explique Ruta, qui a publié les résultats dans Neurosciences de la nature.
Apprentissage continu
Les odeurs sont importantes pour les mouches. Un centre cérébral d’apprentissage olfactif, appelé le corps du champignon, est chargé de leur apprendre quelles odeurs signifient un sucre savoureux. Là, trois types de neurones se réunissent : les cellules de Kenyon qui réagissent aux odeurs, les neurones de sortie qui envoient des signaux au reste du cerveau et les neurones producteurs de dopamine. Lorsque la mouche rencontre une odeur et obtient ensuite une récompense en sucre, une libération rapide de dopamine modifie la force des connexions entre les neurones du corps du champignon, aidant essentiellement la mouche à faire de nouvelles associations et à modifier sa réponse future à cette odeur.
Mais Ruta et ses collègues ont remarqué une signalisation continue de la dopamine même en l’absence de récompenses. Les mêmes neurones qui ont aidé les mouches à apprendre les associations se sont également déclenchés fréquemment lorsque l’animal se déplaçait.
Cela a soulevé la question de savoir si ces neurones représentent des aspects spécifiques du mouvement, comme la façon dont l’animal bouge ses pattes, ou sont-ils liés à autre chose, comme le but de l’animal ? »
Vanessa Ruta, Université Rockefeller
Pour le savoir, l’équipe a développé un système de réalité virtuelle dans lequel les mouches des fruits peuvent naviguer dans un environnement olfactif, marchant sur une balle semblable à un tapis roulant tandis que leur activité cérébrale est surveillée par un microscope au-dessus de leur tête. Un flux d’air délivre les odeurs à travers un petit tube. Lorsque la mouche sent une odeur attrayante, comme le vinaigre de cidre, elle se réoriente et commence à remonter au vent, vers la source.
Grâce à ce système, les chercheurs ont pu examiner l’activité cérébrale de la mouche dans différentes conditions. Ils ont découvert que l’activité des neurones dopaminergiques reflétait étroitement les mouvements au fur et à mesure qu’ils se produisaient, mais uniquement lorsque les mouches s’engagent dans un suivi délibéré, et non lorsqu’elles se contentent d’errer.
Lorsque les chercheurs ont supprimé l’activité des neurones dopaminergiques, les animaux ont diminué leur détection de l’odeur, même lorsqu’ils étaient affamés et avaient donc un intérêt accru pour les odeurs liées aux aliments. En revanche, l’activation des neurones chez des mouches indifférentes à la nourriture et entièrement nourries les a propulsées à la poursuite active de l’odeur.
Ensemble, les résultats révèlent comment une voie de la dopamine peut remplir deux fonctions : transmettre des signaux de motivation pour façonner rapidement les comportements en cours tout en fournissant des signaux instructifs pour guider les comportements futurs grâce à l’apprentissage. « Cela nous permet de mieux comprendre comment une seule voie peut générer différentes formes de comportement flexible », explique Ruta.
L’étape suivante consiste à comprendre comment les autres neurones savent ce que signifie une poussée de dopamine à un moment donné. Une possibilité, dit Ruta, est que l’apprentissage est un processus plus continu et dynamique qu’on ne le pense souvent : sur de courtes échelles de temps, les animaux évaluent continuellement leur comportement à chaque étape, apprenant non seulement les associations finales, mais aussi les actions qui les y conduisent.
