La recherche, menée auprès de patients atteints de la maladie de Parkinson subissant une intervention chirurgicale au cerveau alors qu'ils étaient éveillés, s'est concentrée sur la substance noire du cerveau, une zone cruciale associée au contrôle moteur et au traitement des récompenses.

Dirigée par Read Montague, neuroscientifique informatique de Virginia Tech, l'équipe internationale a révélé un mécanisme neurochimique jusqu'alors inconnu pour une tendance humaine bien connue à prendre des décisions basées sur le contexte social : les gens sont plus susceptibles d'accepter les offres des ordinateurs tout en rejetant les offres identiques des joueurs humains. .

Aperçu d'un jeu d'ultimatum

Dans l'étude, quatre patients subissant une intervention chirurgicale de stimulation cérébrale profonde pour la maladie de Parkinson ont été plongés dans le jeu de l'ultimatum « à prendre ou à laisser », un scénario dans lequel ils devaient accepter ou rejeter différentes répartitions de 20 $ de la part de joueurs humains et informatiques. Par exemple, un joueur peut proposer de garder 16 $, tandis que le patient reçoit les 4 $ restants. Si le patient refuse la scission, aucun d’eux ne reçoit rien.

« Vous pouvez enseigner aux gens ce qu'ils doivent faire dans ce genre de jeux – ils devraient accepter même de petites récompenses plutôt que pas de récompense du tout », a déclaré Montague, professeur à Virginia Tech Carilion Mountcastle au Fralin Biomedical Research Institute du VTC et du auteur principal de l’étude. « Quand les gens savent qu'ils jouent à un ordinateur, ils jouent parfaitement, tout comme les économistes mathématiques : ils font ce qu'ils devraient faire. Mais quand ils jouent à un être humain, ils ne peuvent pas s'en empêcher. Ils sont souvent poussés à punir le une offre plus petite en la rejetant.

Danse dopamine-sérotonine

L’idée selon laquelle les gens prennent des décisions en fonction du contexte social n’est pas nouvelle dans les jeux économiques neuronaux. Mais aujourd’hui, pour la première fois, des chercheurs montrent que l’impact du contexte social pourrait résulter des interactions dynamiques de la dopamine et de la sérotonine.

Lorsque les gens prennent des décisions, la dopamine semble suivre de près et réagir selon que l’offre actuelle est meilleure ou pire que la précédente, comme s’il s’agissait d’un système de suivi continu. La sérotonine, quant à elle, semble se concentrer uniquement sur la valeur actuelle de l’offre spécifique proposée, suggérant une évaluation plus au cas par cas.

Cette danse rapide se déroule dans un contexte plus lent, où la dopamine est globalement plus élevée lorsque les gens jouent contre d'autres êtres humains – en d'autres termes, lorsque l'équité entre en jeu. Ensemble, ces signaux contribuent à l’évaluation globale de la valeur par notre cerveau lors des interactions sociales.

« Nous braquons les projecteurs sur divers processus cognitifs et recevons enfin des réponses à des questions plus détaillées sur la biologie », a déclaré le premier auteur de l'étude, Dan Bang, professeur agrégé de médecine clinique et membre de la Fondation Lundbeck à l'Université d'Aarhus au Danemark, et professeur associé adjoint. à l’Institut de recherche biomédicale Fralin.

« Les niveaux de dopamine sont plus élevés lorsque les gens interagissent avec un autre être humain plutôt qu'avec un ordinateur », a déclaré Bang. « Et ici, il était important que nous mesurions également la sérotonine pour nous assurer que la réponse globale au contexte social est spécifique à la dopamine. »

Seth Batten, associé de recherche principal dans le laboratoire de Montague et premier auteur commun de l'étude, a construit les électrodes en fibre de carbone implantées chez des patients subissant une intervention chirurgicale de stimulation cérébrale profonde et a aidé à collecter les données au système de santé Mount Sinai à New York.

« La particularité de notre méthode est qu'elle nous permet de mesurer plus d'un neurotransmetteur à la fois – l'impact de cela ne devrait pas être perdu », a déclaré Batten. « Nous avons déjà vu ces molécules de signalisation, mais c'est la première fois que nous les voyons danser. Personne n'a jamais vu cette danse de la dopamine et de la sérotonine dans un contexte social auparavant. »

Déterminer la signification des signaux électrochimiques enregistrés par les patients en chirurgie a été un défi majeur qui a pris des années à résoudre.

« Les données brutes que nous collectons auprès des patients ne sont pas spécifiques à la dopamine, à la sérotonine ou à la noradrénaline – c'est un mélange de celles-ci », a déclaré Ken Kishida, co-auteur de l'étude et professeur agrégé de neuroscience translationnelle. et neurochirurgie, à la faculté de médecine de l'Université Wake Forest. « Nous utilisons essentiellement des outils de type apprentissage automatique pour séparer le contenu des données brutes, comprendre la signature et décoder ce qui se passe avec la dopamine et la sérotonine. »

Dans le Etude du comportement humain dans la natureles chercheurs ont montré comment l'augmentation et la diminution de la dopamine et de la sérotonine sont liées à la cognition et au comportement humains.

« Dans le monde des organismes modèles, il existe un magasin de bonbons rempli de techniques fantastiques pour poser des questions biologiques, mais il est plus difficile de poser des questions sur ce qui fait de vous, vous », a déclaré Montague, qui est également directeur du Centre de recherche en neurosciences humaines. et le laboratoire de neuroimagerie humaine de l'institut de recherche biomédicale Fralin.

Lutter contre la maladie de Parkinson

« À un moment donné, après avoir évalué suffisamment de personnes, nous serons en mesure de nous attaquer à la pathologie de la maladie de Parkinson qui nous a donné cette fenêtre d'opportunité », a déclaré Montague, qui est également professeur au Virginia Tech College of Science.

Dans la maladie de Parkinson, une perte significative des neurones producteurs de dopamine dans le tronc cérébral est une caractéristique clé qui coïncide généralement avec l'apparition des symptômes.

Cette perte impacte le striatum, une région cérébrale fortement influencée par la dopamine. À mesure que la dopamine diminue, les terminaisons sérotoninergiques commencent à germer, révélant une interaction complexe, comme observé dans les modèles de rongeurs.

« Il existe déjà des preuves précliniques selon lesquelles l'attrition du système dopaminergique dit au système sérotoninergique : 'Hé, nous devons faire quelque chose.' Mais nous n'avons jamais pu observer la dynamique », a déclaré Montague. « Ce que nous faisons maintenant est la première étape, mais on pourrait espérer qu'une fois que nous aurons atteint des centaines de patients, nous serons en mesure de relier cela à la symptomatologie et de faire des déclarations cliniques sur la pathologie de Parkinson. »

À cet égard, les chercheurs ont déclaré qu’une fenêtre s’ouvrait pour en apprendre davantage sur un large éventail de troubles cérébraux.

« Le cerveau humain est comme une boîte noire », a déclaré Kishida. « Nous avons développé une autre façon de regarder à l'intérieur et de comprendre comment ces systèmes fonctionnent et comment ils sont affectés par diverses conditions cliniques. »

Michael Friedlander, directeur exécutif de l'Institut de recherche biomédicale Fralin et neuroscientifique qui n'a pas participé à l'étude, a déclaré : « Ce travail change le domaine entier des neurosciences et notre capacité à interroger l'esprit et le cerveau humains — avec une technologie qui n'était tout simplement pas imaginé il y a quelques années. »

La psychiatrie est un exemple de domaine médical qui pourrait bénéficier de cette approche, a-t-il déclaré.

« Nous avons un nombre énorme de personnes dans le monde qui souffrent de diverses pathologies psychiatriques et, dans de nombreux cas, les solutions pharmacologiques ne fonctionnent pas très bien », a déclaré Friedlander, qui est également vice-président des sciences de la santé et des sciences de la santé de Virginia Tech. technologie. « La dopamine, la sérotonine et d'autres neurotransmetteurs sont, d'une certaine manière, intimement impliqués dans ces troubles. Cet effort ajoute une réelle précision et quantification pour comprendre ces problèmes. La seule chose dont je pense que nous pouvons être sûrs est que ce travail sera extrêmement important dans l'avenir du développement de traitements. »

Plus d’une décennie en préparation

L'effort visant à mesurer les neurotransmetteurs en temps réel dans le cerveau humain a commencé il y a plus de 12 ans lorsque Montague a réuni une équipe d'experts qui  » réfléchissent beaucoup « .

Dans des observations inédites sur le cerveau humain publiées par les scientifiques dans Neuron en 2020, les chercheurs ont révélé que la dopamine et la sérotonine agissent à des vitesses inférieures à la seconde pour façonner la façon dont les gens perçoivent le monde et agissent en fonction de leur perception.

Plus récemment, dans une étude publiée en octobre dans la revue Biologie actuelleles chercheurs ont utilisé leur méthode d'enregistrement des changements chimiques chez les humains éveillés pour mieux comprendre le système noradrénaline du cerveau, qui est depuis longtemps une cible pour les médicaments destinés à traiter les troubles psychiatriques.

Et, en décembre dans le journal Avancées scientifiquesl'équipe a révélé que les changements rapides dans les niveaux de dopamine reflètent un calcul spécifique lié à la façon dont les humains apprennent des récompenses et des punitions.

« Nous avons effectué plusieurs mesures actives des neurotransmetteurs dans différentes régions du cerveau, et nous avons maintenant atteint le point où nous abordons des éléments cruciaux de ce qui fait de nous des êtres humains », a déclaré Montague.