Archive mensuelles: décembre 2014

Les circuits de la récompense : relier l’anatomie des primates et l’imagerie humaine

Par Suzanne N Haber et Brian Knutson

Résumé

Bien que de nombreuses régions cérébrales répondent à la récompense, les circuits cortico-basals ganglionnaires  se trouvent au cœur des circuits de la récompense.

Les structures clefs de ce réseau sont : le cortex cingulaire antérieur, le cortex orbito-frontal,le striatum ventral, la pallidum ventral et les neurones dopaminergiques mésencéphaliques.

De plus, d’autre structures comme le cortex préfrontal dorsal, l’amygdale, l’hippocampe, le thalamus, le noyau habénulaire latéral, et des structures spécifique du tronc cérébral telles que le noyau pédonculopontin, les noyaux du raphé, contribuent à la régulation du circuit de récompense.

La connectivité entre ces régions forment un réseau neuronal complexe qui influence différents aspects du processus de récompense. Les études de neuro-imagerie structurelles et fonctionnelles  chez l’homme montrent que la cartographie  humaine du circuit se révèlent être très proche de celles des primates.

Mots-clefs : cortex orbito-frontal, probablilité, anticipation de la récompense, échelle de récompense, substance noire, cortex préfrontal ventromédian, striatum ventral, IRMf (IRM fonctionnel), TEP (tomographie à émission de positons)

Introduction

Les expériences par Olds et Milner ont permis d’évoquer l’idée qu’il  existe un circuit de la récompense anatomiquement identifiable, grâce à la stimulation électrique sur certaines régions du cerveau chez le rat.

Un tel circuit a été mis en évidence avec la manipulation pharmacologique de ces sites, en particulier grâce à l’injection intracrânienne de substances actives (Carlezon and Wise, 1996; Carr and White, 1983; Phillips and Fibiger, 1978).

Bien que plusieurs régions cérébrales aient été impliquées  par des études d’auto-stimulation, pharmacologiques, physiologiques et comportementales, il apparaît que les neurones dopaminergiques du  noyau accumbens (NAcc) et l’aire tegmentale ventrale (ATV) sont au coeur de du circuit.

Des études récentes ont démontré que les régions  striatales et mésencéphaliques relatives à la récompense seraient plus étendues que prévu.

Ces régions comprennent le striatum ventral (SV) en entier et les neurones dopaminergiques de la substance noire (SN).

Le SV reçoit ses principales voies afférentes corticales depuis le cortex orbitofrontal (COF) et le cortex cingulaire antérieur ainsi qu’une voie d’entrée massivement dopaminergique depuis le mésencéphale.

Le SV se projette vers le pallidum ventral (PV) et l’ATV plus la SN, qui,  en retour, se projettent  vers le cortex préfrontal, via le noyau médiodorsal (MD) du thalamus.

Ce circuit fait parti intégrante  du système cortico-basal ganglionnaire.

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Figure 1 : schéma illustrant les  structures clef et les voies du circuit de la récompense. flèches rouges=afférences du cortex préfrontal ventromédian ;  flèches orange foncé  =afférences du cortex orbitofrontal ;  flèches orange claire =afférences du cortex cingulaire antérieur dorsal; flèches jaunes=afférences du cortex préfrontal dorsal ; flèches marron : autres principales connexions du circuit de la récompense. Amy=amygdale ; dACC=cortex cingulaire antérieur dorsal ; dPFC=cortex préfrontal dorsal  cortex; Hipp=hippocampe; LHb=habénula latérale ; hypo=hypothalamus; OFC= cortex orbitofrontal; PPT=noyau pédonculopontin ; S=coquille, SNc=substantia nigra, pars compacta; STN=noyau subthalamique .; Thal=thalamus; VP=pallidum  pallidum; VTA=aire tegmentale ventrale  ; vmPFC=cortex préfrontal ventromédian.

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Récompense et ganglions de la base.

Le circuit de la récompense est maintenant considéré comme intégré au réseau cortico-basal ganglionnaire.

Historiquement cependant, les ganglions de la base furent mieux connus pour leur implication dans les fonctions motrices,   selon la neuropathologie des troubles  du mouvement  et selon le fait que les voies des ganglions de la base retournent principalement vers le cortex moteur (Nauta and Mehler, 1966).

La conception de la fonction des  ganglions de la base a profondément changé les 30 dernières années, d’une fonction purement motrice ou sensori-motrice à un ensemble complexe  de fonctions  qui concernent les comportements orientés vers un but, incluant les émotions, la motivation et la cognition.

Ce point de vue émergea vers la fin de années 70 avec le développement des concepts classiques du SV et du PV.

Cette découverte ajouta une boucle fonctionelle ségrégée à travers les ganglions de la base.

Par conséquent, la démonstration anatomique de ce circuit (Haber et al, 1985; Heimer et al, 1982; Young III et al, 1984)  fournit une preuve de l’existence d’autres boucles fonctionnelles.(Alexander et al, 1990).

L’idée selon laquelle les boucles corticales comprennent les ganglions de la base fut étendue aux primates ;  ces boucles incluent plusieurs circuits parallèles et ségrégés (limbique, associatif et sensorimoteur) passant chacune par une structure des ganglions de la base. (Alexander et al, 1990; Parent and Hazrati, 1995).

Cette conception de voies fonctionnelles séparées passant par les ganglions de la base a prédominé durant les 20 dernières années.

Cependant, les comportements adaptatifs requièrent une combinaison de l’évaluation de la récompense, un apprentissage associatif, la capacité à développer un plan d’action approprié et l’inhibition des choix inappropriés, et ce sur la base des expériences.

Bien entendu, l’idée d’une interface entre la motivation et le mouvement à travers les  ganglions de la base fut développé peu après la découverte de la composante limbique des ganglions de la base (Heimer et al, 1982; Mogenson et al, 1980; Nauta, 1986).

 Ainsi, le réseau cortico-basal ganglionnaire, qui est au coeur du phénomène de récompense, ne fonctionne pas isolément (Belin and Everitt, 2008; Bevan et al, 1997; Brown et al, 1998; Draganski et al, 2008; Haber et al, 2000, 2006; Joel and Weiner, 1994; Kasanetz et al, 2008; Kolomiets et al, 2001; McFarland and Haber, 2002; Mena-Segovia et al, 2005; Percheron and Filion,1991).

Cortex préfrontal

Organisation du cortex préfrontal

De même que les neurones corticaux émettent des potentiels d’action en réponse  à un stimulus de récompense, les principales aires associées à la récompense sont  : le cortex cingulaire et le cortex orbitofrontal (COF).

Les régions impliquées peuvent être divisées en aire corticale spécifique : le cortex cingulaire antérieur  inclue les aires 24, 25 et 32 ; le cortex orbitaire quant à lui comprend les aire 11, 12, 13 et 14 (Barbas, 1992; Carmichael and Price, 1994; Fuster, 2001; Walker, 1940).

Ces régions préfrontales incluent :

1. une région caudale, sensorielle, qui comprend le cortex frontal orbitaire et le cortex de l’insula

2. le  cortex orbito-frontal rostral, qui comprend les aires 11,  13 et 32

3. les parties ventrale et médiale du  cortex préfrontal médial : le cortex préfrontal ventromédian qui incluent les  aires 11, 10 et 32 chez l’homme et le aires  24, 14 et 32 chez le singe.

Le cortex préfrontal ventromédian contient une sous-région, le cortex préfrontal médial, qui est limité aux aires 10 et 32 mais n’inclue pas le cortex orbitofrontal (aire 11) (Knutson et al, 2003).

Processus de récompense et cortex préfrontal humain

Les éudes d’imagerie métabolique par TEP (tomographie à émission de positons ou IRMf (IRM fonctionnel) montrent que les différents types de récompense peuvent solliciter l’activité corticale.

Ces découvertes suggèrent que l’exposition à une récompense primaire ( ex goût plaisant, son et vues) et secondaire (ex gains financiers) augmentent l’activité dans les régions du cortex frontal, en particulier le cortex préfrontal ventromédian (Aharon et al, 2001; Anderson et al, 2003; Blood and Zatorre, 2001; Breiter et al, 1997; Elliott et al, 2000b; Knutson et al, 2000; Kunig et al, 2000; Martin-Solch et al, 2001; O’Doherty et al, 2001; Rogers et al, 1999; Rolls et al, 2003; Small et al, 2001; Thut et al, 1997).

La région la plus associée à la récompense chez le singe renvoie est le COF (Padoa-Schioppa and Assad, 2006; Roesch and Olson, 2004; Rolls, 2000; Tremblay and Schultz, 2000; Wallis and Miller, 2003)

Plusieurs études de neuro-imagerie suggèrent que les aspects sensoriels et abstraits de le récompense impliquent le COF.

Une méta-analyse a permis de dégager deux phénomènes (Kringelbach and Rolls, 2004).

Dans un premier lieu, les récompenses de type sensoriel (ex, jus) tendent à activer les régions plus postérieures du COF tandis que les récompenses plus abstraites activent les régions plus antérieures. En second lieu, les récompenses tendent à activer les régions médiales du COF (près du gyrus rectus) tandis que les punitions activent les régions plus latérales du COF.

Les punitions, cependant inhibent souvent les réponses motrices sortantes, ce qui accroît l’activation du COF latéral (O’Doherty et al, 2003a).

Les recherches s’accordent sur le fait qu’une sous-région du cortex préfrontal  ventromédian, en particulier le cortex préfrontal médial  pourrait répondre préférentiellement à l’issue de la récompense  (Daw et al, 2006; Knutson et al, 2003).

Des régions du cortex préfrontal médial répondent également aux aspects contextuels de l’anticipation de la récompense.

Par exemple, des étude d’IRMf de valeur probale, le cortex préfrontal médial est corrélé pas seulement avec la magnitude anticipée mais également avec la probabilité d’anticipation de la récompense (Knutson et al, 2005)  (Yacubian et al, 2006).

L’activation du  cortex préfrontal médian  peut également corrélée en relation avec le fait de peser les bénéfices contre les coûts  quand les sujets évaluent les investissement risqués dans un contexte de la prise de risque financier, ce faisant par l’intégration des données entrantes à partir du striatum ventral et de l’insula.

L’activation du cortex préfrontal médian met en relation non seulement la magnitude des gains monétaires mais également leur urgence dans le contexte du décompte temporelle (Ballard and Knutson, 2009; Kable and Glimcher, 2007; McClure et al, 2004a).

Finalement, l’activation du cortex préfrontal médial est corrélée avec la valeur additionnelle du prix d’un produit dans le contexte d’un achat, cohérente avec la notion économique d’un  surplus de consommation (Knutson et al, 2007 ; Plassmann et al, 2007).

Ensemble, ces résultats suggèrent que l’activation du cortex préfrontal médial pourrait intégrer des données sur la valeur à partir des différentes dimensions de stimuli ou de stimuli différents (Blair et al, 2006).

 

Le striatum ventral

Organisation du striatum ventral

Le concept du striatum ventral fut développé à l’origine par Heimer en 1978 dans un article classique dans lequel il décrit les relations entre le noyau accumbens et le tubercule olfactif chez le rat  (Heimer, 1978).

Le lien entre l’activité du noyau accumbens et la récompense a déjà été identifié en tant que circuit de l’auto-stimulation, décrits en premier par Olds et Milner (Olds and Milner, 1954).

Depuis l’identification du striatum ventral, le concept de régions striatale associé à la récompense a évolué pour inclure cette région étendue, élargissant les frontières traditionnelles du noyau accumbens.

Cette région entière fut l’objet des études sur le renforcement et la transition entre l’usage de drogues pour une récompense et l’habitude (Bowman et al, 1996; Drevets et al, 2001; Jensen et al, 2003; Kalivas et al, 2005; Lyons et al, 1996; Parkinson et al, 2000; Schultz et al, 1992; Taha and Fields, 2006).

Chez l’homme et chez les primates non humains, le striatum ventral inclut  : le noyau accumbens et une large partie  continue entre le noyau caudé et le putamen, de la partie ventrale à la partie rostrale de la capsule interne, le tubercule olfactif, et la portion rostro-latérale de l’espace de la substance perforée adjacente  au tractus olfactif latéral.

De manière importante, les distinctions cytoarchitectoniques ou histochimiques ne permettent pas de marquer une frontière nette entre le striatum ventral et le striatum dorsal, ce qui pose une difficulté pour définir une localisation des activations en imagerie ou chez les animaux.

Peut-être que la meilleure manière cependant pour définir le striatum ventral consiste à considérer ses projections afférentes depuis les aires corticales qui gèrent différents aspects de la récompense et du traitement émotionnel, ce sont  : le cortex préfrontal ventromédian, le cortex orbitofrontal, le noyau accumbens et le lobe temporal médial, en y incluant l’amygdale.

En utilisant ces projections comme référence, le striatum ventral occupe 20% du striatum total chez les primates (Haber et al, 2006). En tant que sous-composant du striatum ventral, le terme noyau accumbens est mieux décrit par un petit secteur ventromédian du  striatum rostral, qui reçoit des entrées depuis des régions corticales spécifiques.

Projections corticales

Les projections corticostriatales forment une parcelle dense qui peut être visualisée à un faible grossissement.

Ces projections terminales sont organisées de manière topographique  (Parent and Hazroti, 1995) : le striatum dorsolatéral reçoit des entrées corticales depuis les aires sensorimotrices ; le striatum central reçoit des entrées depuis les aires corticales associatives ; le SV recoit quant à lui des entrées des aires limbiques.

Ainsi des entrées depuis le cortex préfrontal ventromédian, le COF et le noyau accumbens se projetent vers des sous-régions du SV et le cortex préfrontal dorsal se projette vers le noyau caudé (Haber et al, 1995a; Selemon and Goldman-Rakic, 1985).

Les projections focales en provenance du cortex préfrontal ventromédian est la plus limitée. Elles se concentrent à l’intérieur du noyau accumbens, incluant la coquille (partie ventrale).

Le cortex préfrontal ventromédian se projette également vers le mur médial du noyau caudé adjacent au ventricule.

Les entrées les plus denses en provenance du cortex insulaire agranulaire se termine également vers le noyau accumbens et le mur médial du noyau caudé (Chikama et al, 1997).

il existe peu d’études concernant les projections de l’aire 10 (principalement le versant médial) vers le striatum ventral. Cependant, les injections de traceur dans les aires dorsale et latérale de l’aire 10 mettent en évidence les projections vers le mur médial du noyau caudé rostral, se chevauchant avec les entrées depuis le cortex préfrontal ventromédian.

Ces données convergent vers le fait que les parties médiale et ventrale de l’aire 10 (aire qui est inclue dans le cortex préfrontal médian) se projetterai vers le noyau accumbens. Ainsi, le noyau accumbens chez les primates reçoit des entrées de l’insula partie olfactive et viscérale associative, du cortex préfrontal ventromédian et vraisemblablement de l’aire 10.

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Figure 2 : schéma illustrant les connexions du SV

Flèches bleues : entrées (afférences) , flèches grises : sorties (efférences)

Amy=amygdale ; BNST=noyau de la  strie terminale ; dACC= cortex cingulaire dorsal antérieur;  Hipp=hippocampe; hypo=hypothalamus; MD=noyau médio-dorsal du thalamus; OFC=cortex orbitofrontal ; PPT=noyau pédonculopontin; S=coquille; SNc=substantia nigra, pars compacta; STN=noyau subthalamique ; Thal=thalamus; VP=pallidum ventral; VS= striatum ventral ; VTA=aire tegmentale ventrale ; vmPFC=cortex préfrontal ventromédian.

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