Erreur observée dans le cerveau

Tout comme un médecin peut déterminer si le foie d'un patient est sain gr?ce à un test sanguin, les neurologues tentent d'examiner l'activité cérébrale de leurs patients gr?ce à des tests non invasifs. Gr?ce à des techniques d'imagerie telles que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), les médecins peuvent mesurer l'activité de certaines zones du cerveau en fonction de leur irrigation sanguine. Il est encore difficile d'établir un lien entre cette activité cérébrale représentée par l'IRMf et les processus neuronaux, c'est-à-dire l'activité de certains réseaux de cellules nerveuses.

?tablir ce lien, tel est l'objectif de Klaas Stephan, professeur de neuromodélisation translationnelle à l'ETH et à l'Université de Zurich, et de ses collaborateurs. La doctorante de Stephan, Sandra Iglesias, a posé une première pierre importante dans ce sens : Avec ses collègues, elle a pu montrer que certaines étapes d'un processus d'apprentissage - plus précisément des erreurs dans l'apprentissage associatif - activaient deux réseaux de cellules nerveuses spécifiques dans le cerveau.

La dopamine pas en cas de récompense

Lors d'une série de tests, des sujets ont entendu un son aigu ou un son grave et ont ensuite d? prédire s'ils verraient l'image d'une maison ou d'un visage. L'image de la maison, par exemple, avait 70% de chances d'appara?tre après le son aigu. Parallèlement, les chercheurs ont observé l'activité cérébrale à l'aide de l'IRMf. La question centrale de cette expérience était de savoir quelles zones du cerveau étaient activées en cas de prédiction erronée.

Si les sujets se trompaient dans leur prédiction, cela activait le mésencéphale. C'est là que se trouvent principalement les neurones qui communiquent via le neurotransmetteur dopamine, appelés neurones dopaminergiques. "Jusqu'à présent, on pensait que les neurones dopaminergiques signalaient une récompense inattendue dans les processus d'apprentissage", explique Iglesias. Dans son étude, elle et ses collègues ont toutefois pu démontrer pour la première fois que ces neurones étaient activés indépendamment de la récompense. En effet, cette activité a été déclenchée uniquement par l'apparition inattendue de la maison ou du visage après une prédiction erronée. "Cela n'a rien à voir avec la récompense", souligne Iglesias.

Les chercheurs ont réussi à associer une autre facette de l'apprentissage à une activité cérébrale particulière : au cours du test d'apprentissage de 24 minutes, les chercheurs ont fait varier la probabilité d'associer l'image au son correspondant. En même temps, ils ont observé la rapidité et la précision avec lesquelles les sujets adaptaient leur prédiction à la probabilité réelle. Plus la probabilité attendue par le sujet différait de la probabilité réelle, plus l'IRMf montrait une activité dans le cerveau antérieur basal. C'est là que se trouvent principalement les cellules nerveuses qui communiquent via le neurotransmetteur acétylcholine.

Vers un outil de diagnostic

Avec leurs découvertes, les chercheurs n'en sont encore qu'au début du chemin. "Nous n'avons pas encore étudié de corrélation avec des processus cliniquement significatifs", explique Stephan. Le procédé doit encore être développé pour pouvoir lire les processus pertinents pour le diagnostic chez les patients. "Si nous pouvons constater à l'aide d'un tel procédé qu'un sous-type de schizophrénie, par exemple, est lié à une perturbation des systèmes de signalisation dopaminergiques dans le cerveau, mais pas un autre sous-type, cela aura des conséquences sur le choix du médicament".

Dans une prochaine étape, Iglesias étudiera si l'activité des zones cérébrales décrites est modifiée lors de tests d'apprentissage lorsque les sujets ont pris auparavant un médicament qui influence l'activité cérébrale. L'objectif serait alors de pouvoir prédire, à l'aide des images IRMf, si les patients ont pris le médicament ou un placebo. "Cela nous permettrait de faire un pas de plus vers les processus cliniquement pertinents", explique Stephan.