Nous y avons tous été. Que nous soyons coincés dans la circulation à la fin d’une longue journée ou que nous attendions avec impatience la sortie d’un nouveau livre, film ou album, il y a des moments où nous devons être patients. Apprendre à supprimer l’impulsion de gratification instantanée est souvent vital pour le succès futur, mais la façon dont la patience est régulée dans le cerveau reste mal comprise.
Maintenant, dans une étude sur des souris menée par l’unité de calcul neuronal de l’Université d’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), les auteurs, le Dr Katsuhiko Miyazaki et le Dr Kayoko Miyazaki, identifient des zones spécifiques du cerveau qui favorisent individuellement la patience. grâce à l’action de la sérotonine. Leurs résultats ont été publiés le 27 novembre dans Science Advances.
« La sérotonine est l’un des neuromodulateurs du comportement les plus connus, aidant à réguler l’humeur, les cycles veille-sommeil et l’appétit », a déclaré le Dr Katsuhiko Miyazaki. « Nos recherches montrent que la libération de ce messager chimique joue également un rôle crucial dans la promotion de la patience, augmentant le temps pendant lequel les souris sont prêtes à attendre une récompense alimentaire. »
Leurs travaux les plus récents s’appuient largement sur des recherches antérieures, où l’unité a utilisé une technique puissante appelée optogénétique – utilisant la lumière pour stimuler des neurones spécifiques dans le cerveau – pour établir un lien de causalité entre la sérotonine et la patience.
Les scientifiques ont élevé des souris génétiquement modifiées dotées de neurones libérant de la sérotonine et exprimant une protéine sensible à la lumière. Cela signifiait que les chercheurs pouvaient stimuler ces neurones pour qu’ils libèrent de la sérotonine à des moments précis en faisant briller la lumière, en utilisant une fibre optique implantée dans le cerveau.
Les chercheurs ont découvert que la stimulation de ces neurones pendant que les souris attendaient de la nourriture augmentait leur temps d’attente, l’effet maximal étant observé lorsque la probabilité de recevoir une récompense était élevée, mais lorsque le moment de la récompense était incertain.
«En d’autres termes, pour que la sérotonine favorise la patience, les souris devaient être confiantes qu’une récompense viendrait, mais incertaines quant au moment où elle arriverait», a déclaré le Dr Miyazaki.
Dans l’étude précédente, les scientifiques se sont concentrés sur une zone du cerveau appelée noyau du raphé dorsal – le noyau central des neurones libérant de la sérotonine. Les neurones du noyau du raphé dorsal atteignent d’autres zones du cerveau antérieur et dans leur étude la plus récente, les scientifiques ont exploré spécifiquement laquelle de ces autres zones cérébrales contribuait à réguler la patience.
L’équipe s’est concentrée sur trois zones cérébrales dont il avait été démontré qu’elles augmentaient les comportements impulsifs lorsqu’elles étaient endommagées: une structure cérébrale profonde appelée noyau accumbens et deux parties du lobe frontal appelées cortex orbitofrontal et cortex préfrontal médian.
«Les comportements impulsifs sont intrinsèquement liés à la patience – plus un individu est impulsif, moins il y a de patients – donc ces zones cérébrales étaient des candidats de premier ordre», a expliqué le Dr Miyazaki.
Les bonnes choses arrivent à ceux qui attendent (ou pas …)
Dans l’étude, les scientifiques ont implanté des fibres optiques dans le noyau du raphé dorsal et dans l’un des noyaux accumbens, du cortex orbitofrontal ou du cortex préfrontal médian.
Les chercheurs ont formé des souris à effectuer une tâche d’attente où les souris se tenaient le nez à l’intérieur d’un trou, appelé «coup de nez», jusqu’à ce qu’une pastille alimentaire soit livrée. Les scientifiques ont récompensé les souris dans 75% des essais. Dans certaines conditions de test, le moment de la récompense était fixé à six ou dix secondes après que les souris aient commencé le piqué du nez et dans d’autres conditions de test, le moment de la récompense variait.
Dans les 25% d’essais restants, appelés essais d’omission, les scientifiques n’ont pas fourni de récompense alimentaire aux souris. Ils ont mesuré la durée pendant laquelle les souris ont continué à effectuer le coup de nez pendant les essais d’omission – en d’autres termes, à quel point elles étaient patientes – lorsque les neurones libérant de la sérotonine étaient et n’étaient pas stimulés.
Lorsque les chercheurs ont stimulé les fibres neurales libérant de la sérotonine qui atteignaient le noyau accumbens, ils n’ont trouvé aucune augmentation du temps d’attente, ce qui suggère que la sérotonine dans cette zone du cerveau n’a aucun rôle dans la régulation de la patience.
Mais lorsque les scientifiques ont stimulé la libération de sérotonine dans le cortex orbitofrontal et le cortex préfrontal médian pendant que les souris tenaient le nez, ils ont constaté que les souris attendaient plus longtemps, avec quelques différences cruciales.
Dans le cortex orbitofrontal, la libération de sérotonine a favorisé la patience aussi efficacement que l’activation de la sérotonine dans le noyau du raphé dorsal; à la fois lorsque le calendrier des récompenses était fixé et lorsque le calendrier des récompenses était incertain, avec des effets plus forts dans ce dernier.
Mais dans le cortex préfrontal médian, les scientifiques n’ont vu une patience accrue que lorsque le moment de la récompense était varié, sans effet observé lorsque le moment était fixé.
« Les différences observées dans la façon dont chaque zone du cerveau a répondu à la sérotonine suggèrent que chaque zone du cerveau contribue au comportement d’attente global des souris de manière distincte », a déclaré le Dr Miyazaki.
Modeler la patience
Pour approfondir cette question, les scientifiques ont construit un modèle de calcul pour expliquer le comportement d’attente des souris.
Le modèle suppose que les souris ont un modèle interne du moment de la remise des récompenses et continuent d’estimer la probabilité qu’une récompense soit délivrée. Ils peuvent donc juger au fil du temps s’ils sont dans un procès avec récompense ou non et décider s’ils doivent ou non continuer à attendre. Le modèle suppose également que le cortex orbitofrontal et le cortex préfrontal médian utilisent différents modèles internes de timing de récompense, ce dernier étant plus sensible aux variations de timing, pour calculer les probabilités de récompense individuellement.
Les chercheurs ont découvert que le modèle correspondait le mieux aux données expérimentales du temps d’attente en augmentant la probabilité de récompense attendue de 75% à 94% sous stimulation sérotoninergique. Plus simplement, la sérotonine a accru la croyance des souris qu’elles étaient dans un essai de récompense, et elles ont donc attendu plus longtemps.
Surtout, le modèle a montré que la stimulation du noyau du raphé dorsal augmentait la probabilité de 75% à 94% à la fois dans le cortex frontal orbital et dans le cortex préfrontal médian, alors que la stimulation des zones cérébrales séparément augmentait uniquement la probabilité dans cette zone particulière.
« Cela a confirmé l’idée que ces deux zones du cerveau calculent la probabilité d’une récompense indépendamment l’une de l’autre, et que ces calculs indépendants sont ensuite combinés pour déterminer finalement combien de temps les souris vont attendre », a expliqué le Dr Miyazaki. « Ce type de système complémentaire permet aux animaux de se comporter de manière plus flexible face à des environnements changeants. »
En fin de compte, accroître nos connaissances sur la façon dont différentes zones du cerveau sont plus ou moins affectées par la sérotonine pourrait avoir des implications vitales dans le développement futur de médicaments. Par exemple, les inhibiteurs sélectifs de la recapture de la sérotonine (ISRS) sont des médicaments qui augmentent les niveaux de sérotonine dans le cerveau et sont utilisés pour traiter la dépression.
«C’est un domaine que nous souhaitons explorer à l’avenir, en utilisant des modèles de dépression de souris», a déclaré le Dr Miyazaki. « Nous pouvons trouver dans certaines conditions génétiques ou environnementales que certaines de ces zones cérébrales identifiées ont des fonctions altérées. En fixant ces régions, cela pourrait ouvrir des voies pour fournir des traitements plus ciblés qui agissent sur des zones spécifiques du cerveau, plutôt que sur l’ensemble du cerveau. . «