Mécanismes cérébraux de l’adaptation comportementale dynamique – DYNADAPT

Les hypothèses du projet DYNADAPT sont basées sur mes recherches récentes: 1) les relations entre FB, EIA et adaptation comportementale sont construites par apprentissage grâce à un réseau frontal incluant spécifiquement le MCC et le DLPFC. 2) L’organisation anatomo-fonctionnelle de ce réseau a évolué du singe au chimpanzé puis à l’homme. Spécifiquement, le chimpanzé montre une organisation similaire à l’homme et le macaque possède toutes les prémisses de cette organisation. Ces données suggèrent que i) le macaque est un bon modèle pour étudier le rôle causal de ce réseau sur l’adaptation comportementale et sur le fonctionnement global du cerveau, et ii) l’analyse de l’organisation de ce réseau chez le chimpanzé constitue la clé pour faire le pont entre le macaque et l’homme et identifier ce qui fait que le cerveau de l’homme est unique. Pour tester ces hypothèses chez le primate humain et non-humain, DYNADAPT utilise les approches suivantes: 1) le réseau impliqué dans l’adaptation comportementale chez l’homme est déterminé grâce à l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) et une nouvelle tâche d’adaptation permettant l’étude de l’apprentissage des relations entre FB, EIA et adaptation comportementale. 2) l’homologue de ce réseau chez le macaque et le chimpanzé est identifié grâce au couplage entre IRMf au repos (RS-IRMf) et une nouvelle analyse consistant à comparer les «empreintes digitales» de la connectivité de ce réseau chez les 3 espèces. 3) de déterminer le rôle causal de ce réseau sur i) l'activité cérébrale globale et b) les comportements d’adaptation grâce à la combinaison entre perturbations pharmacologiques transitoires chez le macaque et a) RS-IRMf et b) l’analyse des déficits comportementaux dans la tâche d’adaptation, respectivement.

Les résultats préliminaires concernent les objectifs 1 et 2.
Objectif 1. Les résultats préliminaires obtenus chez 8 sujets humains montrent que le réseau MCC-DLPFC est impliqué dans l'analyse des FB et EIA. Parce que des sujets naïfs étaient impliqués, nos données montrent comment ce réseau apprend la signification de ces différents évènements et révèlent l'implication supplémentaire de l'amygdale dans la phase précoce de l'apprentissage.
Objectif 2. Le 1er but était d'identifier chez le macaque les régions du MCC et du DLPFC homologues à celles observées chez l’homme afin de déterminer les cibles des perturbations pharmacologiques des objectifs 3/4. À cette fin, 1) des données RS-IRMf ont été obtenues sur les 8 sujets humains impliqués dans l'objectif 1 et sont actuellement analysées, 2) deux macaques sont actuellement entrainés à fixer une croix de fixation centrale dans un simulateur d'IRM afin d'obtenir des données RS-IRMf. Le 2d but était de déterminer l'évolution du réseau MCC-DLPFC au travers des primates grâce à l'analyse des données RS-fMRI. Des données RS-fMRI chez le macaque et l'homme qui sont en cours d'acquisition et les données RS-fMRI de 4 chimpanzés anesthésiés ont été analysées. De plus, l’étude de l'organisation morphologique des sillons du MCC chez le macaque, le babouin, le chimpanzé et l'homme et montré que, dans le MCC, des précurseurs de l'organisation des sillons observées chez l’homme existent chez les macaques (Amiez et al. 2019). Cette étude a aussi révélé que la présence d'un sulcus paracingulaire dans le MCC chez l’homme est également présente chez le chimpanzé. La découverte que l'organisation des sillons du MCC est un bon marqueur pour comprendre les homologies entre primates est majeure et aidera à l'identification des sites des perturbations pharmacologiques des objectifs 3 et 4.

DYNADAPT fournira des informations clés sur la façon dont le réseau MCC-DLPFC produit un comportement adaptatif optimal à travers l'ordre des primates pour atteindre son plus haut niveau d'organisation chez l'homme. Il fournira ainsi une percée significative dans des domaines hétérogènes. Le 1er impact se produira dans les neurosciences cognitives, en permettant la compréhension du rôle du réseau MCC-DLPFC dans l'adaptation comportementale. Le 2d impact se produira en neuroscience cognitive clinique et en psychiatrie. Le réseau MCC-DLPFC est dysfonctionnel dans plusieurs maladies neurologiques et psychiatriques. Des altérations spécifiques au sein du MCC et du DLPFC devraient révéler des altérations neurophysiologiques et comportementales spécifiques. À ce titre, DYNADAPT fournira une compréhension de la physiopathologie de ce réseau. Le 3è impact se produira dans la recherche en neurosciences comparatives. L'identification de l’évolution de l'organisation anatomo-fonctionnelle de divers réseaux cérébraux au cours de l'évolution est le Graal pour comprendre comment le cerveau de chaque espèce soutient un répertoire de comportement approprié adapté à une niche écologique spécifique. DYNADAPT montrera comment les réseaux impliqués dans l'adaptation comportementale ont évolué du macaque, au chimpanzé et à l'homme. Le 4è impact se produira dans l'intelligence artificielle et la recherche robotique. Un des programmes majeurs d'innovation internationaux consiste à développer des robots autonomes aidant les humains dans leur vie quotidienne. La conception de systèmes de contrôle pour des robots autonomes est difficile car elle nécessite de prévoir comment le robot interagira avec son environnement. Des recherches récentes ont montré le potentiel critique des modèles d'inspiration neurophysiologique dans ces prédictions. Les résultats de DYNADAPT permettront d’affiner ces modèles, et par conséquent pour mettre en œuvre de nouveaux systèmes robotiques autonomes

Amiez C and Procyk E. Midcingulate somatomotor and autonomic functions. Handbook of Clinical Neurology 166:53-71, 2019.

Amiez C, Sallet, J, Hopkins WD, Meguerditchian A, Hadj-Bouziane F, Ben Hamed S, Wilson CRE, Procyk E, Petrides M. Sulcal organization in the medial frontal cortex provides insights into primate brain evolution. Nature Communications 10(1):3437, 2019.

La capacité à adapter nos stratégies comportementales face à l’occurrence d’événements inattendus ou dangereux est fondamentale pour survivre à notre environnement. Dans la vie quotidienne, deux types d’évènements peuvent signaler un besoin d’adaptation: 1) les évènements lies causalement et temporellement à nos actions, appelés Feedback –FB- (par exemple, nous modifions notre stratégie après un choix erroné), et 2) les évènements qui ne sont pas liés directement à nos actions, appelés Evènements Indépendants de l’Action (EIA). Par exemple, nous adaptons nos stratégies à la suite d’un changement de règle. Ces deux types d’évènements peuvent être concurrents et interagir (e.g. un FB incorrect peut apparaître parce que nous avons commis une erreur, ou parce qu’un EIA est apparu – e.g. les règles ont changé, etc…), et peuvent conduire à des adaptations identiques ou différentes, mais leur dynamique d’apprentissage est très différente (rapide pour les FB, lente pour les EIA). Les primates et l’homme en particulier ont une capacité accrue à s’adapter en fonction des FB et EIA. Cette capacité s’est développée au cours de l’évolution des primates parallèlement à l’évolution des réseaux cérébraux incluant particulièrement le cortex frontal. Bien que cette capacité d’adaptation soit cruciale pour la survie des primates et que son dysfonctionnement soit observé dans une large gamme de maladies psychiatriques, ses bases neuronales et leurs mises en place au cours de l’évolution des primates restent inconnues. DYNADAPT vise à 1) caractériser le mode de fonctionnement des systèmes neuronaux impliqués dans cette capacité et 2) comment ces systèmes neuronaux se sont mis en place au cours de l’évolution des primates pour permettre les capacités d’adaptation les plus complexes observées chez l’homme.
L’hypothèse du projet DYNADAPT est basée sur les connaissances que j’ai acquis récemment chez le primate humain et non-humain: 1) les relations entre FB, EIA et adaptation comportementale sont construites par apprentissage grâce à un réseau frontal incluant spécifiquement le cortex moyen cingulaire (MCC) et le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC). 2) L’organisation anatomo-fonctionnelle de ce réseau a évolué du singe au chimpanzé puis à l’homme. Spécifiquement, le chimpanzé montre une organisation similaire à l’homme et le macaque possède tous les prémisses. Ces données suggèrent que i) le macaque est un bon modèle pour étudier le rôle causal de ce réseau sur l’adaptation comportementale et sur le fonctionnement global du cerveau, et ii) l’analyse de l’organisation de ce réseau chez le chimpanzé constitue la clé pour faire le pont entre le macaque et l’homme et identifier ce qui fait que le cerveau de l’homme est unique.
DYNADAPT démontrera ces hypothèses chez le primate humain et non-humain en utilisant les approches suivantes: 1) le réseau impliqué dans l’adaptation comportementale chez l’homme sera déterminé grâce à l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) et une nouvelle tâche d’adaptation. 2) l’homologue de ce réseau chez le macaque et le chimpanzé sera identifié grâce au couplage entre IRMf au repos (RS-IRMf) et une nouvelle analyse consistant à comparer les «empreintes digitales» de la connectivité de ce réseau chez les 3 espèces. 3) de déterminer le rôle causal de ce réseau sur a) l'activité cérébrale globale et b) les comportements d’adaptation grâce à la combinaison entre perturbations pharmacologiques transitoires chez le macaque et a) RS-IRMf et b) l’analyse des déficits comportementaux dans la tâche d’adaptation, respectivement.
DYNADAPT identifiera ainsi comment le réseau MCC-DLPFC s’est organisé pour permettre des comportements adaptatifs optimaux au travers de l’évolution des primates pour atteindre son apogée chez l’homme. DYNADAPT permettra ainsi une percée significative dans des domaines hétérogènes des neurosciences cognitives fondamentales, comparatives, appliquées et cliniques.