Le noyau pédonculopontin, une structure cérébrale impliquée dans l’apprentissage par renforcement

Publication officielle Mis en ligne le 21 décembre 2020
Illustration 3D des noyaux subthalamique

Illustration 3D des noyaux subthalamique (NST, en rose) et pédonculopontin (NPP, en violet) ©Institut du Cerveau

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L’apprentissage par renforcement est un des mécanismes fondamentaux par lequel nous apprenons à optimiser nos actions. Par ce mécanisme, les actions qui sont récompensées au-delà de nos attentes sont renforcées, de sorte qu’elles sont plus volontiers entreprises par la suite.

A l’Institut du Cerveau, l’équipe co-dirigée par Mathias PESSIGLIONE, directeur de recherche INSERM, vient d’identifier, pour la première fois chez l’homme, le rôle d’une région cérébrale particulière, le noyau pédonculopontin (NPP), dans l’apprentissage par renforcement. Ces travaux sont publiés dans la revue scientifique Current Biology.

Les modèles expérimentaux ont permis d’établir que l’apprentissage par renforcement est sous le contrôle des neurones dopaminergiques. Cependant, le mécanisme d’activation de ces neurones, c’est-à-dire la façon dont ils reçoivent l’information sur la récompense obtenue après une action, n’était pas encore identifiée.

Les travaux de l’équipe de Mathias PESSIGLIONE avaient pour hypothèse que le noyau pédonculopontin, considéré jusqu’ici comme un centre de la motricité et stimulé chez les patients atteints de troubles de l’équilibre et de la marche, avait également pour fonction de signaler les récompenses aux neurones dopaminergiques.

L’étude publiée a porté sur trois patients atteints de maladie de Parkinson traités par stimulation cérébrale profonde dans le noyau pedonculopontin (NPP).

Le protocole a d’abord consisté à enregistrer les potentiels évoqués, c’est-à-dire les messages électriques générés par les neurones situés dans le NPP, alors que les patients effectuaient une tâche d’apprentissage instrumental. Celle-ci consistait à apprendre quel symbole visuel rapportait le plus d’argent en moyenne, sachant que les associations entre les options et les récompenses comportaient une part de hasard. Cette tâche faisait donc intervenir l’apprentissage par renforcement, puisque la récompense monétaire venait renforcer le choix d’un symbole parmi plusieurs possibles, présentés sur un écran d’ordinateur. L’enregistrement des potentiels évoqués a montré que le PPN réagissait aux récompenses obtenues par les patients dans la tâche.

Le protocole a ensuite testé l’effet de la stimulation du NPP sur les performances dans la tâche d’apprentissage. Les résultats montrent que sous l’effet de la stimulation les patients apprenaient mieux, comme si le signal de récompense était restauré et de ce fait les bons choix mieux renforcés. Dans un modèle mathématique de l’apprentissage par renforcement, l’effet de la stimulation correspondait à une augmentation de la sensibilité à la récompense, semblable à celle qu’on observe sous l’effet de médicaments dopaminergiques chez ces patients.

L’équipe de recherche a pu ainsi montrer pour la première fois chez l’homme un rôle du NPP dans l’apprentissage instrumental. D’autres études dans des modèles expérimentaux devront être menées afin de déterminer plus finement le rôle des différents neurones constituant le NPP dans la sensibilité aux renforcements.

Néanmoins, les résultats de ces travaux pourraient conduire à réorienter la stimulation du PPN vers le traitement de l’apathie, observée en particulier lors de l’arrêt des médicaments dopaminergiques chez les patients Parkinsoniens.

Source :https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)31754-1

Equipes scientifiques

Equipe "Motivation, cerveau et comportement"
Chef d'équipe
Sebastien BOURET PhD, CR2, CNRS
Jean DAUNIZEAU PhD,CR1, INSERM
Mathias PESSIGLIONE PhD, DR2, INSERM
Comportements dirigés, social, cognition morale, motivation Domaine principal: cognition L’équipe "Motivation, cerveau et comportement", dirigée par Mathias PESSIGLIONE, Jean DAUNIZEAU et Sébastien BOURET combine trois approches complémentaires : les neurosciences cognitives chez l’homme, la neurophysiologie chez le singe et la modélisation computationnelle, essentielle pour relier quantitativement les différents niveaux de descriptions.
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