Equipe: «Neuroimagerie Cognitive: Prise de décisions et récompenses»

  
  Institut des Sciences Cognitives
  Institut des Sciences Cognitives, 67 Bd Pinel, 69675 Bron, France

1.Composition de l’équipe
Anciens membres

2.Objectifs

L’objectif de notre équipe est de mieux comprendre les mécanismes neuronaux de la prise de décisions et ses relations au système de récompense. Le système de récompense permet l’évaluation et l'apprentissage de séquences d'actions sans la présence d'un renforcement immédiat, offrant un exemple important d'un système biologique impliqué à la fois dans la motivation du comportement et dans son organisation. L’équipe étudie l’organisation fonctionnelle du cortex préfrontal chez l’homme, l’influence de la modulation du système de récompense sur différentes fonctions cognitives, motivationnelles et émotionnelles, ainsi que les mécanismes neuronaux sous-jacents au dysfonctionnement du cortex préfrontal et du système dopaminergique (au cours du vieillissement normal, chez des patients schizophrènes et chez des patients souffrant de lésions du cortex frontal). Pour conduire ces trois axes de recherche étroitement liés, nous utilisons diverses techniques d’imagerie cérébrale, comme les Potentiels Evoqués, l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnel le (IRMf), la Tomographie par Emission de Positrons (TEP) ainsi que la modélisation de réseaux de neurones. Nous prévoyons également d’utiliser les enregistrements intracrâniens et la Magnétoencéphalographie (MEG).

Trois axes de recherche



3.Thèmes de recherche

(I) Identificationdes divisions fonctionnelles du cortex préfrontal chez l‘homme sain
Une des activités nécessaires à la survie est la capacité de réaliser des séquences de décisions en fonction des événements survenant dans notre milieu environnant. Nous avons montré que lors de la réalisation de séquences de décisions, la prévisibilité et l’histoire récente des séquences de décisions ont une profonde influence sur la façon dont différentes régions du cortex préfrontal sont recrutées. Le cortex préfrontal antérieur médian est plus impliqué lorsque les séquences de tâches sont réalisées dans un ordre prévisible alors que le cortex dorsolatéral est plus activé lorsque les séquences de tâches sont réalisées dans un ordre imprévisible. Ces résultats indiquent une organisation hiérarchique du cortex prefrontal selon un double axe posterio-antérieur et médio-latéral à mesure que la séquence devient guidée de manière endogène. De plus, il existe une double dissociation entre le cortex préfrontal latéral et le cortex cingulaire antérieur: le cortex préfrontal latéral est plus activé lorsqu'il est nécessaire de surmonter l’inhibition résiduelle d’une tâche récemment réalisée tandis que le cortex cingulaire antérieur est plus activé lors du réengagement dans une séquence de tâches. Ceci montre que le cortex préfrontal latéral porte une trace des décisions récemment réalisées, même si aucune mémoire de ces décisions n’est requise. En conséquence, une fonction cruciale du cortex prefrontal latéral pourrait non seulement être la maintenance en mémoire d’une information sensorielle ou l’utilisation prospective de cette information pour le comportement, mais la formation automatique d’une trace des décisions récemment réalisées.
Ces résultats d’imagerie cérébrale permettent donc de mieux comprendre l’organisation fonctionnelle du cortex préfrontal.

(II) Etude du système dopaminergique (modélisation et étude par IRMf)
Pour mener à bien des séquences de décisions, il est nécessaire que le cerveau soit muni d'un système qui à chaque étape d'une séquence d'actions évalue la décision effectuée. Cette évaluation permet l'apprentissage de séquences complexes. De nombreux arguments neurobiologiques indiquent que les neurones dopaminergiques, qui innervent largement le cortex préfrontal, ont des propriétés électrophysiologiques compatibles avec cette fonction d'évaluation, tout en étant impliqué dans la modulation d’un grand nombre de fonctions cognitives, motivationnelles et émotionnelles. A côté d’une meilleure compréhension des mécanismes neuronaux sous-tendant la prise de décisions, il est donc crucial d’étudier les propriétés du système dopaminergique au cours de séquences menant au renforcement.
La modélisation par réseaux de neurones nous a permis de lier deux niveaux d'observation habituellement difficiles à combiner: l'action cellulaire de la dopamine sur les activités des neurones préfrontaux et les effets comportementaux de cette modulation lors de tâches cognitives de mémoire de travail. Ce modèle explique, pour la première fois, l’existence d’une courbe en U-inversé liant le niveau de performance d'une tâche de mémoire de travail et le niveau de stimulation des récepteurs dopaminergiques au niveau du cortex préfrontal.
Plus récemment, l’enregistrement direct des neurones dopaminergiques chez le singe, lors d'une tâche de conditionnement dans laquelle des stimuli distincts annoncent des récompenses (jus de fruit) de probabilités différentes, a montré que ces neurones répondent non seulement de façon transitoire en codant une erreur de prédiction de la récompense mais aussi suivant un mode d'activité soutenu en anticipation d’une récompense d’incertitude maximale (Fiorillo et al., Science, 2003).L’utilisation de l’imagerie cérébrale chez l’homme sain nous a permis de distinguer les régions cérébrales répondant avec ces deux modes de réponses transitoire et soutenu. Nos résultats ont montré que les neurones dopaminergiques répondent de manière transitoire au moment du stimulus prédisant la récompense ainsi qu’au moment de l’apparition de la récompense et répondent de manière soutenue pendant la phase d’anticipation d’une récompense d’incertitude maximale. De plus, le cortex préfrontal répond au signal transitoire tandis que l’activité du striatum ventral varie avec le signal soutenu. Ces résultats indiquent que des réseaux neuronaux spécifiques traitent différents aspects des propriétés statistiques de l’information liées aux récompenses chez l’homme sain.

(III) Etude des perturbations du cortex préfrontal et du système de récompense de patients schizophrènes, de patients fronto-lésés et de sujets sains âgés
Des perturbations importantes du fonctionnement du cortex préfrontal et du système de récompense dopaminergique sont observées dans différentes conditions (maladie de Parkinson, schizophrénie, vieillissement normal). En particulier, un résultat classiquement observé par TEP est une hypoactivation du cortex préfrontal des patients schizophrènes lors de tâches cognitives. L'interprétation de cette hypofrontalité est controversée car elle pourrait soit refléter une vraie base neuropathologique de la maladie, soit la simple réduction des performances cognitives des patients par rapport aux contrôles. En appariant patients schizophrènes et sujets sains âgés ayant la même performance comportementale, nous avons récemment montré que cette hypofrontalité était toujours présente chez les patients comparés aux sujets sains âgés, ce qui démontre que l’hypofrontalité fait partie de la neurophysiopathologie de la maladie. De plus, lors de tâches de séquences motrices auto-initiées, les patients schizophrènes montrent des perturbations de la focalisation de l’activation du cortex prémoteur, ce qui montre que l’hypofrontalité n’est pas limitée au seul cortex préfrontal.
Nous étudions actuellement les modifications de fonctionnement du système de récompense chez les patients schizophrènes et chez des sujets sains âgés.



4.Projets en cours

1)Influence des polymorphismes génétiques sur l’activation du système de récompense (J-C Dreher)
Le récent séquençage du génome humain fournit des possibilités sans précédent pour comprendre les bases génétiques de la vulnérabilité à de nombreuses maladies psychiatriques et neurologiques. La combinaison de l’imagerie cérébrale et de la génétique permet d’établir de nouveaux liens entre le niveau moléculaire et le niveau des systèmes cérébraux.  Cette avancée permet de mieux comprendre les influences génétiques contribuant aux différences individuelles existant au niveau du comportement et de l'activation cérébrale dans les conditions normales et pathologiques.Le but de ce projet de recherches est de combiner l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et la génétique moléculaire pour comprendre l’influence de gènes impliqués dans la transmission dopaminergique sur le système de récompense.

2)Influence de variations hormonales sur l’activation du système de récompense (J-C Dreher, collaboration Dr K.F Berman)
De nombreux désordres psychiatriques sont plus prévalents chez la femme que chez l’homme, mais les bases neurobiologiques de ces différences restent peu comprises. Ces différences pourraient être dues, au moins en partie, à l’influence des hormones stéroïdes gonadiques comme les oestrogènes et la progestérone. Des études chez l’animal ont montré que le système dopaminergique mésocortical et mésolimbique est sensible au taux d’oestrogènes circulants. Peu de choses sont cependant connues chez la femme concernant l’influence des hormones stéroïdes gonadiques sur le système de récompense dopaminergique. Le but de ce projet est d’utiliser l’IRMf pour étudier l’influence de ces hormones sur l’activation du système de récompense au cours du cycle menstruel.

3)Système de motivation sexuelle et activation cérébrale (J. Redouté)
Il est important de déterminer la spécificité du ou des systèmes de récompense impliqué(s) lors du comportement motivé relatif à différents types de récompenses (récompense monétaire, sexuelle). Dans cette optique, nous étudions les bases anatomo-fonctionnelles d’une motivation primaire fondamentale, la motivation sexuelle, de sujets sains et de patients présentant des troubles du comportement sexuel. Les résultats antérieurs ont montré l’existence, chez l’homme sain, d’un réseau cérébral engagé dans le traitement de stimuli visuels sexuels, et dans la mise en place d’un état d’excitation sexuelle (Redoutéet al., 2000) De plus, une désactivation du cortex orbitofrontal médian et de plusieurs régions du cortex temporal latéral pourrait participer à des mécanismes inhibiteurs empêchant le développement d’un état d’excitation sexuelle dans des situations inappropriées. Dans le trouble de type « Désir Sexuel Hypoactif », nous avons observé une activation anormale de ces régions considérées comme inhibitrices ainsi qu’un défaut d’activation des régions normalement activées chez les sujets sains. Par ailleurs, dans l’hypogonadisme, caractérisé par une baisse de la concentration plasmatique de la testostérone, l’insula droite présente un défaut d’activation.

4)Etude par enregistrement intracrânien/MEG du système de récompense (G. Vanni-Mercier, Collaboration F. Mauguière)
Au cours de tâches de conditionnement où des stimuli distincts sont suivis d’une récompense avec une certaine probabilité, il a été montré chez le singe, que les neurones dopaminergiques déchargent de façon transitoire lorsqu'il existe un désaccord entre la récompense attendue et celle effectivement délivrée et par une décharge soutenue entre le stimulus conditionné et la récompense lorsque l’incertitude de la récompense est maximale (Fiorillo et al., Science, 2003). Nous nous proposons de réaliser chez l’homme, l’enregistrement électrophysiologique par électrodes intra-crâniennes de différentes structures corticales (cortex préfrontal latéral, cortex cingulaire antérieur, cortex orbitofrontal) et sous-corticales (amygdale et hippocampe) impliquées dans le système de récompense dans deux conditions : 1)au cours d’une tâche d’apprentissage de la probabilité d’obtention des récompenses; 2) après apprentissage des probabilités des récompenses.

5)Développement de deux systèmes de substitution sensorielle (tactile et auditif pour la vision) compatibles avec l’IRMf (C. Scheiber)
Nous abordons l’étude de la plasticité cérébrale à travers un «modèle» de substitution sensorielle qui consiste à apprendre à un individu privé d’un sens (e.g. la vision) à transcoder l’information visuelle par une prothèse, dite de substitution sensorielle, véhiculant l’information au cerveau par un autre sens, le toucher ou l’audition. Ce projet est de développer deux systèmes de substitution sensorielle (tactile et auditif pour vision) compatibles à l’IRMf. De nombreuses applications sont possibles, comme l’étude de l’intégration multi-sensorielle ou l’étude de l’apprentissage d’associations stimuli multi-modaux avec la récompense.



5.Publications

Articles

Chapîtres de livres

  • J-P. Banquet, P. Gaussier, J-C. Dreher, C. Joulain, A. Revel, W. Gunther. Space-time, order and hierarchy in Fronto-hippocampal system: a neural basis of personality in: Cognitive Science Perspective on Personality and Emotion, Elsevier Science, Amsterdam, G. Mathews (Editor), p 123-189, 1997.


6. Communications internationales
  • J-C Dreher, E. Guigon, J-P. Banquet, Y. Burnod. A model of working model dopamine modulation in the prefrontal cortex, EUR J NEUROSCI 10:17617 Suppl. 10 1998.
  • J-C Dreher, E Guigon, Y Burnod. A model of working memory dopamine modulation in prefrontal cortex, Second international conference on cognitive and neural systems, Boston, may 1998.
  • J-C Dreher, E Guigon, Y Burnod. A model of working memory dopamine modulation in prefrontal cortex, Second International Workshop on Neural Modeling of Brain and Cognitive Disorders, Washington, June 1998.
  • J-C Dreher, J-P Banquet, J-F Allilaire, B Dubois, Y Burnod, Characterization of spatial working memory and sequence reproduction deficits in schizophrenia. BRAIN COGNITION 47 (1-2): 244-249 OCT-NOV 2001.
  • J-C. Dreher, E Koechlin, O Ali, J Grafman, Dissociation of timing expectancy and task order anticipation during task switching, J COGNITIVE NEUROSCI : 28B, p 50, Suppl. 2001.
  • J-C. Dreher, P Kohn, K Berman, The neural basis of backward inhibition during task switching, NEUROIMAGE 13 (6): S311-S311 Part 2 Suppl. S JUN 2001.
  • J-C. Dreher, J Grafman, Dissociating the roles of the rostral anterior cingulate and the lateral prefrontal cortices in parallel and sequential memory retrieval, Society for Neuroscience meeting, San Diego, 2001.
  • J-C. Dreher, K Berman, Dissociating the roles of the ventrolateral prefrontal cortex and anterior cingulate cortex in cognitive control, J COGNITIVE NEUROSCI: C35 Suppl. S APR 2002.
  • J-C. Dreher, A. Meyer-Lindenberg, N. Dixit, M. Egan, D. Weinberger, K. Berman, Brain activation in healthy aging subjects and schizophrenics matched in performance on a working memory task, Society For Neuroscience meeting, invited talk, Orlando, 2002.
  • J-C. Dreher, A. Meyer-Lindenberg, M. Egan, D. Weinberger, K. Berman, Common and Unique pathophysiological features in schizophrenia and healthy aging, Human Brain Mapping, New York, 2003.
  • J-C. Dreher, P Koch, A. Meyer-Lindenberg, A. Bonner-Jackson, K. Berman, Respective contributions of aging and performance to brain activation during working memory, Society For Neuroscience meeting, New Orleans, 2003.
  • J-C. Dreher,P Kohn, K.F. Berman, Neural coding of the statistical properties of reward information in humans, Cognitive Neuroscience Meeting, San Fransisco, 2004.
  • J-C Dreher, P Kohn , P Koch, K Berman, Functional properties of the sustained and phasic activities of the reward system in humans, Human Brain mapping, Budapest, 2004.
  • J-C Dreher, P Kohn, B Kolachana, M Egan, D Weinberger, K Berman. Effect of COMT Val108/158 Met genotype on brain activation during anticipation of uncertain rewards, Human Brain mapping, Budapest, 2004.
  • J-C Dreher, P Kohn, B Kolachana, M Egan, D Weinberger, K Berman. Effect of COMT Val108/158 Met genotype on brain activation during anticipation of uncertain rewards, Human Brain mapping, Collegium Internationale Neuro-psychopharmacologicum (CINP), Paris, June 2004.
  • J-C Dreher, P Koch, P Kohn, A Meyer-Lindenberg, D Weinberger, K Berman. Respective contributions of aging and performance to brain activation during working memory, European Federation of Neurological Societies (EFNS), Paris, September 2004.
  • J-C Dreher, P Koch, P Kohn, K Berman. Neural representations of reward information without decision making in humans, Society For Neuroscience meeting, San Diego, 2004.

Conférences orales sur invitation

  • Dissociation between task timing expectancy and task order anticipation during task switching, Cognitive Neuroscience Section, NINDS, NIH, Bethesda, may 2000
  • Functional organization of the prefrontal cortex: Insights from task switching, University College London, October 2001, UK
  • Functional Magnetic Resonance imaging studies of task switching, May 2002, Exeter University, UK
  • Cortex préfrontal, dopamine et schizophrénie: études par imagerie cérébrale et modélisation, Université du Québec à Montréal, Montreal, september 2002
  • Brain activation in healthy aging subjects and schizophrenics matched in performance on a working memory task, Society For Neuroscience meeting, Orlando, 2002
  • Prefrontal cortex, dopamine and schizophrenia: insights from brain imaging (fMRI, PET, EEG) and neural network modeling, Brown University, Department of Psychology, Providence, March 2003
  • Different time scales of dopaminergic modulation, workshop "dopamine and memory: integrating computational and empirical approaches", Cognitive Neuroscience Society meeting, New York, March 2003
  • Executive functions of the prefrontal cortex: insights from brain imaging and neural network modeling, Rutgers University, Department of Psychology, Newark, New Jersey, April 2003
  • Executive functions of the prefrontal cortex: insights from brain imaging and neural network modeling, West Virginia University, Department of Physiology and Advanced Brain Imaging Center, May 2003
  • Decision making and reward: insights from brain imaging (fMRI, PET, EEG) and neural network modeling, New York University, Department of Psychology, May 2003
  • Respective contributions of aging and performance to brain activation during working memory, Society For Neuroscience meeting, New Orleans, 2003
  • Different time scales of dopaminergic modulation, Annual Computational Neuroscience meeting, Alicante, Spain, July 2003
  • The prefrontal cortex: orientation to the future and to the past. The roles of tasks sequence predictability and history during tasks switching, Max Planck Institute, Leipzig, June 2004
  • Respective contributions of aging and performance to brain activation during working memory, European Federation of Neurological Societies (EFNS), Paris, September 2004
  • The prefrontal cortex: orientation to the future and to the past. The roles of tasks sequence predictability and history during tasks switching, Orsay Hospital and Neurosciences Institut in Marseille, September 2004
  • Neural representations of reward information without decision making in humans, Society For Neuroscience meeting, San Diego, October 2004
  • The brain as an inferential machine: insights from functional Magnetic Resonance Imaging in the domains of cognitive control and reward processing, Symposium in Advances in Magnetic Resonance Imaging, University of Barcelona & Facultat de Medecina, November 2004
  • Department of Neurosciences & Clinic of Neurology, University Medical Center, Geneva, April 2005
  • 7eColloque de la Société des Neurosciences, Lille, France, May 18-20, 2005
  • 8th World Congress of Biological Psychiatry, Vienna, Austria, 28 June-3 July 2005

Promotion Grand public

  • Cognitive Control. The hectic life of the brain. Nature Reviews Neuroscience, Vol 3 n 12, 916, 2002
  • Functional organization of the prefrontal cortex: insights from task switching, November 20, published online in BioMedNet (new Journal club of Trends in Cognitive Neuroscience, 2002
  • Multitasking makes you stupid: studies show pitfalls of doing too much at once, Wall Street Journal, page D1, February 27, 2003

7. Collaborations

Internes à l’ISC:

Nationales:

Internationales :