Le cortex préfrontal, une région du cerveau longtemps associée à l’apprentissage de comportements plus flexibles, peut parfois bloquer la capacité de sortir des sentiers battus, montre une nouvelle étude chez la souris. Science Advances a publié les découvertes de biologistes de l’Université Emory.
C’est un résultat surprenant. Nous avons démontré que pour un comportement naturaliste particulier chez la souris, le cortex préfrontal bloque l’adoption d’une nouvelle et meilleure stratégie pour résoudre un problème. Sortir des sentiers battus nécessite de supprimer cette partie du cerveau qui prend les décisions exécutives. »
Robert Liu, auteur principal de l’étude et professeur Emory de biologie
Cette découverte pourrait donner un aperçu des mécanismes impliqués dans la neurodiversité humaine et dans certains troubles cognitifs. Cela ajoute des nuances à la compréhension du rôle du cortex préfrontal, souvent décrit comme le système de gestion du cerveau, impliqué dans le contrôle de la mémoire de travail, de la prise de décision, de la flexibilité de la pensée et des réponses émotionnelles.
Sommaire
Se concentrer sur l’instant
Les animaux, comme les humains, s’en tiennent souvent à ce qui a bien fonctionné dans le passé pour atteindre un objectif – ce qu’on appelle une stratégie gagnant-rester. Lorsqu’une stratégie plus intelligente se présente, idéalement, vous apprenez à l’adopter.
« Une analogie est d’apprendre à jouer à un jeu, comme le poker », explique Kai Lu, premier auteur de l’article Science Advances et chercheur postdoctoral au Liu Lab.
Les nouveaux joueurs de poker, explique Lu, se concentrent davantage sur les probabilités mathématiques et réfléchissent à la valeur des cartes en main et sur la table. Cependant, pour jouer de manière optimale, ils doivent apprendre à adapter leur stratégie à chaque partie, en fonction des signaux subtils des autres joueurs, afin de prendre en compte la possibilité d’un bluff.
Alors qu’une stratégie repose principalement sur la mémoire, l’autre s’appuie davantage sur des signaux sensoriels externes.
Étudier un comportement naturel
Le laboratoire Liu étudie les origines fonctionnelles, mécanistes, développementales et évolutives des comportements provoqués par des stimuli. Il utilise le stimulus sonore dans un modèle de rongeur en laboratoire, combinant des techniques expérimentales, informatiques et chimiogénétiques.
En règle générale, les expériences en laboratoire visant à étudier les mécanismes neuronaux d’apprentissage visent simplement à établir de nouvelles associations en renforçant le succès ou en punissant l’échec. Le rôle des prédispositions pour guider un comportement n’est généralement pas pris en compte.
Le laboratoire Liu souhaitait se concentrer sur les mécanismes neuronaux alors qu’une souris apprend à partir de zéro pour remplacer une stratégie décisionnelle éculée par une autre plus efficace. Ils ont conçu des expériences basées sur un comportement naturel des souris : récupérer les petits souris déplacés pour les ramener au nid.
« Les souris femelles ont une stratégie par défaut pour rechercher les petits, probablement construite au fil de l’évolution et de l’expérience, qui consiste simplement à retourner là où elles ont trouvé un petit pour la dernière fois », explique Liu. « Mais ils peuvent aussi apprendre à faire mieux en suivant un signal sonore fiable qui leur indique où trouver le chiot. »
Apprendre à changer de stratégie
Pour explorer les mécanismes neuronaux à l’origine du passage de cette stratégie par défaut, les chercheurs ont mené des expériences en utilisant un labyrinthe en forme de T. Une souris femelle adulte a été placée dans le « nid » à la base du « T », tandis qu’un son artificiel jouait comme une sorte de balise pour attirer la souris vers le bras droit ou gauche du « T », signalant l’endroit où l’expérimentateur allait mettre bas un chiot pour récompenser le bon choix.
Comme prévu, les souris femelles adultes retourneraient d’abord dans le bras du « T » où elles avaient trouvé un petit pour la dernière fois – la stratégie par défaut, gagner-rester – quel que soit l’endroit où se trouvait le son. Au fil d’essais répétés, cependant, ils ont montré un changement de stratégie progressif, apprenant à contourner la valeur par défaut inefficace et à utiliser le signal sonore pour choisir correctement le côté sonore en premier et recevoir le chiot plus rapidement. La moitié de la cohorte de 12 femmes adultes participant aux expériences ont effectué ce changement au quatrième jour, tandis que toutes ont appris à utiliser le son au huitième jour.
Les souris adultes ont été implantées avec des sondes en silicium dans leur cortex auditif et dans le cortex préfrontal médial, pour permettre aux chercheurs de collecter des données sur la façon dont les neurones de ces régions cérébrales se déclenchaient pendant que les souris effectuaient la tâche de récupération.
Faire taire différentes zones du cerveau
Ensuite, des méthodes chimiogénétiques ont été utilisées pour réduire au silence des zones spécifiques du cerveau chez des souris adultes femelles – le cortex auditif dans une cohorte et le cortex préfrontal médial dans une autre – et les expériences ont été répétées.
Les résultats ont montré que la réduction au silence du cortex auditif nuisait, sans toutefois supprimer complètement, l’apprentissage sonore par rapport aux contrôles. La stratégie gagnant-restant est restée robuste et a persisté chez les animaux qui n’ont pas complètement acquis la bonne association, même après huit jours de formation.
Cependant, faire taire le cortex préfrontal médial a en fait accéléré l’utilisation de la stratégie auditive, contrairement aux attentes des chercheurs selon lesquelles les décisions prises par les souris seraient simplement restées plus aléatoires. La plupart des souris dotées d’un cortex préfrontal médial silencieux ont appris la stratégie auditive en seulement deux ou trois jours.
Les chercheurs ont restauré l’activité du cortex préfrontal médial chez ces souris et ont recommencé les expériences. Les souris ont encore une fois opté pour la stratégie par défaut. Ces résultats confirment en outre que le cortex préfrontal médial aide principalement à déployer une stratégie gagnant-restant plutôt que de permettre l’adoption d’un signal sonore plus efficace.
Les vieilles habitudes ont la vie dure
Les résultats suggèrent que l’apprentissage d’une meilleure stratégie nécessite de surmonter une région du cerveau qui favorise activement une vieille habitude.
Les chercheurs émettent l’hypothèse que le cortex préfrontal médial aide l’esprit à se concentrer sur les expériences passées ou les projets futurs, ce qui peut ajouter aux défis liés au développement d’une nouvelle habitude.
Lu compare cela à l’apprentissage de la suppression de la rumination et de la concentration sur le son d’une cloche pour guider une séance de méditation. « Au lieu de rester coincé dans le passé ou de penser au futur, il faut se concentrer sur le présent en prêtant attention au moment présent », explique-t-il.
Le laboratoire Liu mène actuellement des études sur des souris dont les gènes ont été modifiés pour refléter les marqueurs génétiques associés à l’autisme chez l’homme. Ces expériences pourraient fournir davantage d’informations sur le rôle du cortex préfrontal médial dans la neurodiversité.
Les chercheurs travaillent également avec des collaborateurs pour tester leur modèle chez des participants humains adultes, en utilisant des techniques de neurosciences non invasives. La stimulation magnétique transcrânienne, par exemple, peut être utilisée pour réguler l’activité des cellules nerveuses dans des régions spécifiques du cerveau chez l’homme.
« En fin de compte, nous voulons essayer de développer un paradigme de traitement – basé sur nos découvertes sur le rôle du cortex préfrontal par rapport aux stimuli externes – pour voir s’il pourrait être utile sur le plan thérapeutique pour les patients souffrant de troubles cognitifs liés à la fonction exécutive », explique Liu.
Les co-auteurs de l’article incluent Kelvin Wong, un ancien spécialiste de la recherche chez Emory ; et Chengcheng Yang, Lin Zhou, Yike Shi et Maya Costello, qui ont travaillé sur le projet en tant qu’étudiants de premier cycle à Emory.
Le document a été financé par des subventions des National Institutes of Health des États-Unis (R01DC008343, P50MH100023).
