La dopamine chimique du cerveau joue un rôle clé dans la représentation ou codant le mouvement
chercheurs de l'Université de Princeton ont constaté que la dopamine - une substance chimique du cerveau impliquée dans l'apprentissage, la motivation et beaucoup d'autres fonctions - a également un rôle direct dans la représentation ou d'un mouvement de codage. La découverte pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre le rôle de la dopamine dans les troubles liés à mouvement tels que la maladie de Parkinson.
Les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique, plus précis pour enregistrer l'activité des neurones dopaminergiques dans deux régions au sein d'une partie du cerveau appelée le striatum, qui supervise la planification de l'action, la motivation et la récompense perception. Les chercheurs ont constaté que, bien que tous les neurones porté signaux nécessaires pour apprendre et le mouvement du plan, l'un des faisceaux nerveux, celui qui est allé à la région appelée le striatum dorso, également réalisé un signal qui pourrait être utilisé pour contrôler les mouvements.
Le travail a été publié dans la revue Nature Neuroscience cette semaine.
"Ce que nous avons appris de cette étude est que les neurones dopaminergiques qui vont à une partie de la loi du cerveau différemment que les neurones dopaminergiques qui vont à une autre partie du cerveau", a déclaré Ilana Witten, professeur adjoint de psychologie et l'Institut des Neurosciences de Princeton. "Ceci est contraire à ce qui a été le point de vue ordinaire des neurones dopaminergiques."
La recherche peut faire la lumière sur la façon dont la maladie de Parkinson, ce qui implique la destruction des neurones dopaminergiques dans le striatum dorso, prive les patients de la capacité de se déplacer. Des études antérieures ont échoué à trouver un lien direct entre l'activité des neurones dopaminergiques et le contrôle du mouvement ou des actions. Au lieu de cela, l'opinion dominante a suggéré un rôle indirect de la dopamine: les neurones permettent pour nous d'apprendre quelles actions sont susceptibles de conduire à une expérience enrichissante, qui à son tour nous permet de planifier à prendre cette mesure. Lorsque les neurones dopaminergiques sont détruits en raison de la maladie de Parkinson, l'individu ne peut pas apprendre à planifier des actions et donc ne peut pas bouger.
La nouvelle étude a confirmé le rôle de la dopamine dans l'apprentissage fondé sur la récompense, mais a également constaté que dans le striatum dorso, les neurones dopaminergiques peuvent jouer un rôle direct dans le mouvement. Les chercheurs ont utilisé un procédé pour mesurer l'activité des neurones à des endroits très précis dans le cerveau. Ils ont mesuré l'activité aux extrémités des neurones - les terminaux où la dopamine est libérée dans la jonction, ou synapse, entre deux cellules - à deux endroits dans le striatum: le noyau accumbens, connus pour être impliqués dans le traitement de récompense, et le striatum dorso , connu pour évaluer et générer des actions.
Jusqu'à récemment, il a été difficile de mesurer l'activité des neurones dopaminergiques dans ces régions en raison de la petite taille des régions et le fait qu'il ya beaucoup d'autres neurones présents qui livrent d'autres substances chimiques du cerveau, ou neurotransmetteurs, les mêmes zones du cerveau .
Pour limiter leurs mesures aux seuls neurones dopaminergiques porteurs, les chercheurs ont utilisé des souris dont le cerveau effectuer des cellules génétiquement modifiées qui brillent en vert lorsque actif. Les souris contiennent également un second gène qui veillé à ce que le brillant ne pouvait se produire lorsque la dopamine était présent.
Les chercheurs ont ensuite enregistré l'activité des neurones à partir soit le noyau accumbens ou le striatum dorso en insérant une fibre optique très mince dans chaque région pour enregistrer les cellules dopaminergiques dans fluorescentes seules les régions souhaitées.
Une fois la capacité de mesurer l'activité des neurones était en place, les chercheurs ont donné aux souris une tâche qui implique à la fois l'apprentissage fondé sur la récompense ainsi que le mouvement.
La tâche consistait à présenter les souris avec deux leviers, dont l'un, lorsqu'il est pressé, a donné un verre d'eau sucrée. Par essais et erreurs, les souris appris levier qui donnerait la récompense. Au cours de la tâche, les chercheurs ont enregistré leur activité cérébrale.
La tâche est analogue à jouer les machines à sous dans un casino. Imaginez-vous dans un casino avec deux machines à sous en face de vous. Vous tirez le levier sur la machine à votre gauche et il crache quelques pièces de monnaie. Votre cerveau apprend que le levier gauche mène à une récompense, de sorte que vous planifier et exécuter une action: vous tirez le levier de gauche à nouveau. Après quelques tire sur le levier gauche sans une récompense, vous passez à la machine sur la droite.
Quand une action est enrichissante, vous êtes susceptible de le rappeler, une étape importante dans l'apprentissage. La différence entre la quantité de récompense que vous attendez, et combien vous obtenez, est également important, car il vous indique si oui ou non quelque chose est nouveau et combien vous devriez faire attention à elle. Les chercheurs appellent cet écart entre votre récompense prédite et la récompense que vous obtenez réellement la «erreur récompense-prédiction» et considérez un signal d'enseignement important.
En faisant correspondre les actions des souris à l'activité de la dopamine dans leur cerveau au cours de ces tâches, les chercheurs ont pu déterminer quelles parties du cerveau étaient actifs lors de l'apprentissage fondé sur la récompense, et quelles parties ont été actifs lors du choix d'appuyer sur un levier. Assistance à la modélisation informatique des comportements des souris a été fourni par Nathaniel Daw, un professeur de l'Institut des Neurosciences et de psychologie Princeton.
Les chercheurs ont découvert que les neurones dopaminergiques qui innervent le noyau accumbens et le striatum dorso ont en effet codent indices récompense prédiction, ce qui est cohérent avec les résultats précédents. Mais ils ont également constaté que dans le striatum dorso, les neurones dopaminergiques effectués informations sur quelles actions l'animal va prendre.
"Cette idée était que les neurones dopaminergiques portent ce signal d'erreur de prédiction de récompense, et qui pourrait affecter indirectement le mouvement ou des actions, parce que si vous ne l'avez pas, vous ne serez pas apprendre correctement les actions à effectuer», a déclaré Witten. «Nous montrons que tout cela est vrai, il est certainement pas toute l'histoire. Il y a aussi une couche où la dopamine est le codage directement le mouvement ou des actions."
Nathan Parker, un étudiant diplômé dans le laboratoire Witten qui a conçu et réalisé les expériences et est le premier auteur sur le papier, a ajouté que les nouvelles découvertes ont été rendues possibles à la fois par l'amélioration de l'enregistrement des neurones et par la conception expérimentale, qui a donné aux chercheurs un détail évaluation de l'activité neuronale pendant une tâche relativement complexe.
aide à la recherche supplémentaire a été fourni par Princeton recherche postdoctorale associés Courtney Cameron et Junuk Lee, et l'étudiant diplômé Jung Yoon Choi.Spécialiste de la recherche Joshua Taliaferro, Classe de 2015, commencer à travailler sur le projet dans le cadre de sa thèse senior. L'étude a également impliqué des contributions de Thomas Davidson, chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford.
En plus de ce qui pourrait expliquer les observations cliniques dans la maladie de Parkinson, l'étude se penche sur la question plus générale de la façon dont la dopamine peut être impliqué dans de nombreuses fonctions dans le cerveau, Witten dit. "Nous pensons que certains de la façon dont les neurones dopaminergiques atteindre ces diverses fonctions dans le cerveau est en ayant des rôles spécifiques en fonction de leur cible anatomique."
Naoshige Uchida, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à l'Université de Harvard qui n'a pas participé à l'étude, a déclaré que les résultats remettent en vue de longue date et ouvrent de nouvelles directions de recherche. "Cette étude menée par le laboratoire Witten montre élégamment que l'activité de certains neurones de dopamine est modulée par la direction du mouvement», a déclaré Uchida. "Plus important encore, ils ont trouvé une partie de la preuve la plus claire indiquant l'hétérogénéité des neurones dopaminergiques: Une population spécifique de neurones dopaminergiques en saillie vers le striatum dorso code direction du mouvement plus que par rapport à une autre population faisant saillie vers le striatum ventral."
Uchida a poursuivi: «Un phénomène similaire a également été rapporté dans une étude indépendante chez les primates non-humains (Kim et al., Cell, 2015), ce qui suggère que le laboratoire conclusion Witten est plus universel et non spécifique à la souris. Ceci est particulièrement important parce que la dopamine a été impliquée dans la maladie de Parkinson, mais comment la dopamine régule le mouvement reste un grand mystère ».
