[PDF] Représentation cérébrale des récompenses selon leur nature: une

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THESE DE L'UNIVERSITE DE LYON

Ecole doctorale Neurosciences et Cognition

Présentée par :

Guillaume SESCOUSSE

Pour l'obtention du DIPLOME DE DOCTORAT (arrêté du 7 août 2006) REPRESENTATION CEREBRALE DES RECOMPENSES SELON LEUR NATURE Une approche par neuroimagerie fonctionnelle chez le sujet sain et le joueur pathologique Soutenue publiquement le mercredi 2 février 2011 JURY : Dr. Jean-Claude DREHER, Directeur de thèse

Pr. Philip GORWOOD, Examinateur

Pr. Sylvie GRANON, Rapporteur

Dr. Hilke PLASSMANN, Examinateur

Pr. Christian SCHEIBER, Examinateur

Dr. Serge STOLERU, Rapporteur

2

RESUME

Les récompenses possèdent plusieurs fonctions importantes, liées au plaisir, à la motivation et

à l'apprentissage, qui façonnent notre comportement au quotidien. Il est aujourd'hui bien

établi que ces fonctions sont prises en charge par un ensemble de régions cérébrales appelé

" système de récompense », dont la perturbation peut générer des comportements inadaptés

tels que l'addiction. Néanmoins, toutes les récompenses ne sont pas équivalentes, et il n'y a

pas lieu de penser que le cerveau répond de façon identique à chacune d'entre elles. Nous

avons testé cette hypothèse à l'aide de l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle

(IRMf), en adoptant trois angles d'approche différents. Une première expérience s'est

concentrée sur la distinction entre récompenses primaires (i.e. ancestrales et concrètes) et

secondaires (i.e. évoluées et abstraites), étudiée ici à travers l'exemple des images érotiques et

de l'argent. En plus d'un réseau cérébral activé en commun par ces récompenses, nos résultats

ont montré une dissociation au sein du cortex orbitofrontal (OFC), recruté spécifiquement dans sa partie postérieure par les récompenses primaires, et spécifiquement dans sa partie

antérieure par les récompenses secondaires. Ce résultat soutient l'idée générale d'un gradient

de complexité croissante le long de l'axe postéro-antérieur de l'OFC. Dans la deuxième étude,

nous avons comparé, au moyen d'une approche méta-analytique quantitative, les activités

cérébrales rapportées dans la littérature en réponse à des gains monétaires, des goûts plaisants

et des stimuli érotiques visuels. Les résultats obtenus étayent les conclusions de la première

étude, et confirment parallèlement l'existence de réponses cérébrales spécifiques à chaque

type de récompense. Enfin, dans la troisième étude, nous nous sommes intéressés au jeu

pathologique, en formulant l'hypothèse d'un déséquilibre de la sensibilité aux récompenses

monétaires versus non-monétaires. Les résultats obtenus confortent cette prédiction, en suggérant principalement une perturbation du traitement des récompenses non-monétaires dans le striatum ventral des joueurs. Dans l'ensemble, ces résultats apportent un éclairage nouveau sur l'architecture fonctionnelle du système de récompense, à la fois chez des individus sains et des individus joueurs pathologiques. MOTS-CLES : Récompense, IRMf, cerveau, addiction, jeu pathologique

DISCIPLINE : Neurosciences cognitives

INTITULE ET ADRESSE DU LABORATOIRE :

Centre de Neuroscience Cognitive - UMR 5229

67 Bd Pinel

69675 Bron Cedex

France

3

SUMMARY

Rewards serve several important behavioural functions related to motivation, pleasure and learning. At the cerebral level, reward processing is thought to rely on a well-defined set of brain regions known as the "reward system", whose disruption has been linked to maladaptive behaviours such as addiction. However, a wide variety of rewards exists, and there is no reason to think that the brain responds equivalently to all of them. In order to test this assumption, we used functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI), with three different perspectives. In a first experiment, we investigated the distinction existing between so-called primary (i.e. primitive and concrete) rewards and secondary (i.e. evolved and abstract) rewards, studied here through the examples of erotic pictures and monetary gains. In addition to a common brain network recruited regardless of reward type, our results revealed a functional dissociation within the orbitofrontal cortex (OFC), whose posterior part responded specifically to primary rewards, while its anterior part responded specifically to secondary rewards. Interestingly, this finding supports the idea of a complexity gradient along the postero-anterior axis of the OFC. In a second study, we used a quantitative meta-analytic approach to compare the brain activations reported in the literature in response to monetary gains, pleasant tastes and erotic pictures. The results are in line with the conclusions drawn from the first experiment, and confirm the existence of reward-type-specific responses in the brain. Finally, we conducted a third study focusing on pathological gambling, and aiming to test the hypothesis of an imbalance in the sensitivity to monetary versus non-monetary rewards. The results bring evidence supporting this view, and essentially demonstrate an impaired processing of non-monetary rewards in the ventral striatum of gamblers. Overall, this work sheds new light on the functional architecture of the reward system, both in healthy subjects and pathological gamblers. KEYWORDS : Reward, fMRI, brain, addiction, pathological gambling 4

TABLE DES MATIERES

I. A

PPROCHE PSYCHOLOGIQUE DE LA RECOMPENSE.................................................................................10

1. D

EFINITION FONCTIONNELLE DES RECOMPENSES...............................................................................10

1.1. Trois fonctions distinctes: apprentissage, motivation, plaisir ........................................................10

1.1.1. La composante cognitive : l'apprentissage .............................................................................10

1.1.2. La composante motivationnelle ...............................................................................................11

1.1.3. La composante affective : le plaisir.........................................................................................11

1.2. Récompense et renforcement .........................................................................................................12

1.3. Des fonctions distinctes... jusqu'à quel point ?.............................................................................13

2. D

IFFERENTS TYPES DE RECOMPENSES, DIFFERENTS TYPES DE PLAISIRS............................................14

2.1. Récompenses primaires, secondaires et drogues............................................................................14

2.2. Fonction biologique du plaisir........................................................................................................16

3. E

VALUATION SUBJECTIVE DES RECOMPENSES.....................................................................................18

3.1. Valeur ressentie..............................................................................................................................18

3.2. Valeur attendue...............................................................................................................................19

3.2.1. Influences du coût ....................................................................................................................19

3.2.2. Modélisation de la valeur attendue des récompenses..............................................................20

3.3. Erreur de prédiction et apprentissage.............................................................................................23

4. C

OMMENT ETUDIER LA RECOMPENSE EXPERIMENTALEMENT ?.........................................................24

4.1. Différents cadres expérimentaux....................................................................................................24

4.2. Différentes techniques expérimentales...........................................................................................29

II. A

PPROCHE NEUROBIOLOGIQUE DE LA RECOMPENSE.............................................................................31

1. E

XPERIENCES DE STIMULATION CEREBRALE.......................................................................................31

2. P HARMACOLOGIE DU SYSTEME DE RECOMPENSE : LE ROLE DE LA DOPAMINE..................................34

2.1. L'hypothèse hédonique ..................................................................................................................34

2.2. L'hypothèse motivationnelle..........................................................................................................35

3. E TUDES ELECTROPHYSIOLOGIQUES ET NEUROPSYCHOLOGIQUES CHEZ L'ANIMAL..........................37

3.1. Neurones dopaminergiques du mésencéphale et erreur de prédiction ...........................................38

3.2. Rôle du cortex orbitofrontal dans l'évaluation des récompenses...................................................41

3.2.1. Une représentation intégrée et dynamique de la valeur..........................................................42

3.2.2. Comparaison des récompenses : vers une monnaie neurale commune ?................................43

54. A

PPORT DE LA NEUROIMAGERIE CHEZ L'HOMME............................................................................... 46

4.1. Magnitude, valence et saillance : comment définir le système de récompense ?.......................... 48

4.2. Evaluation subjective des récompenses......................................................................................... 53

4.2.1. Rôle du striatum ventral : valeur attendue et/ou ressentie ?................................................... 53

4.2.2. Cortex orbitofrontal : un territoire hétérogène et une monnaie neurale commune................ 56

4.3. Erreur de prédiction ....................................................................................................................... 62

4.4. Prise en compte des coûts liés à la récompense............................................................................. 64

4.4.1. Incertitude : codage de la probabilité et du risque................................................................. 64

4.4.2. Intégration des coûts liés au délai dans la prise de décision.................................................. 65

III.L

E JEU PATHOLOGIQUE.......................................................................................................................... 67

1. D

EFINITIONS ET ETIOLOGIE DU JEU PATHOLOGIQUE.......................................................................... 67

2. B

ASES NEUROBIOLOGIQUES DU JEU PATHOLOGIQUE.......................................................................... 69

2.1. Etudes neurochimiques et génétiques............................................................................................ 70

2.2. Etudes neuropsychologiques.......................................................................................................... 72

2.3. Etudes de neuroimagerie................................................................................................................ 75

I. Q UESTION 1 :DES REGIONS CEREBRALES COMMUNES A DIFFERENTS TYPES DE RECOMPENSES ? ..... 80 II. Q UESTION 2 :DES REGIONS CEREBRALES SPECIFIQUES DE CERTAINS TYPES DE RECOMPENSES ?..... 83 III.Q UESTION 3 : UNE DISTINCTION ENTRE RECOMPENSES MONETAIRES ET NON-MONETAIRES DANS LE

JEU PATHOLOGIQUE

? ................................................................................................................................... 85

IV. D

EMARCHE EXPERIMENTALE................................................................................................................. 87

A RTICLE 1:THE ARCHITECTURE OF REWARD VALUE CODING IN THE HUMAN ORBITOFRONTAL CORTEX93 A RTICLE 2:A UNIQUE BRAIN REWARD CIRCUIT FOR MULTIPLE REWARDS?A META-ANALYSIS OF THE

HUMAN NEUROIMAGING LITERATURE

........................................................................................................ 111

A RTICLE 3:DISTURBED BRAIN RESPONSES TO MONETARY AND NON-MONETARY REWARDS IN

PATHOLOGICAL GAMBLING

......................................................................................................................... 159

6

LISTE DES ABRÉVIATIONS

Les abréviations sont définies en français ou en anglais

Régions cérébrales

ACC : Anterior Cingulate Cortex (cortex cingulaire antérieur)

NAc ou Nacc : Noyau accumbens

OFC : Orbitofrontal cortex (cortex orbitofrontal)

mOFC : Medial Orbitofrontal Cortex (cortex orbitofrontal médian)

PFC : Prefrontal cortex (cortex préfrontal)

mPFC : Medial Prefrontal Cortex (cortex préfrontal médian) vmPFC : Ventromedial Prefrontal Cortex (cortex préfrontal ventro-médian) VTA : Ventral Tegmental Area (aire tegmentale ventrale)

Autres abréviations

ALE : Activation Likelihood Estimation

BOLD : Blood Oxygen Level Dependent

BSR : Brain Stimulation Reward

DSM: Diagnostic and Statistical Manual of mental disorders

EEG : Electroencéphalographie

IGT: Iowa Gambling Task

IRMf ou fMRI: Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle ou functional Magnetic

Resonance imaging

MID : Monetary Incentive Delay

PG : Pathological Gambling

PIT : Pavlovian to Instrumental Transfer

SOGS : South Oaks Gambling Screen questionnaire

ROI : Region Of Interest

TEP ou PET: Tomographie par Emission de Positons ou Positron Emission Tomography

7Les joueurs de cartes, Paul Cézanne, entre 1890 et 1895 Ce tableau illustre différentes sources de récompense usuelles, telles que le vin, le

tabac et le jeu... qui sont également autant de sources potentielles d'addiction. 8

PREAMBULE

Quoi de commun entre un carré de chocolat, une sonate de Beethoven et un billet de

100€ ? Peu de choses à première vue... si ce n'est que tous ces stimuli nous apportent du

plaisir : l'explosion des arômes de chocolat dans notre bouche lorsqu'on le croque procure une sensation instantanément agréable, l'harmonie d'une sonate de Beethoven est capable de

nous plonger dans un état de plénitude relaxante, tandis que le billet de 100€ nous fait miroiter

la perspective d'un bon diner au restaurant ou d'une place de spectacle à l'opéra. Ce dénominateur commun du plaisir est une composante centrale de ce que les neurobiologistes

appellent la " récompense » (même si par la suite nous verrons que cette définition n'est pas

exhaustive). Cependant il n'existe pas de système sensoriel dédié à la perception des

récompenses : le carré de chocolat, la sonate de Beethoven et le billet de 100€ sont perçus

grâce aux cinq sens traditionnels, à savoir le goût, l'odorat, le toucher, l'ouïe et la vision. Par

conséquent, une question cruciale qui occupe les neurobiologistes depuis de nombreuses

années est de comprendre comment ces récompenses sont représentées au niveau cérébral.

Les fonctions qu'elles partagent -comme le fait d'apporter du plaisir- suggèrent un

substrat cérébral commun, relativement bien identifié et connu sous le nom de " système de

récompense ». En revanche, les spécificités propres à chaque récompense, à commencer par

leurs propriétés sensorielles, laissent penser qu'elles pourraient recruter des régions cérébrales

partiellement distinctes. Cette vision ambivalente est bien résumée par Wolfram Schultz, l'un des grands spécialistes de la récompense : Do such higher order, cognitive rewards use the same neuronal reward mechanisms and structures as the more basic rewards? If rewards have common functions in learning, approach behaviour and positive emotions, could there be common reward-processing mechanisms at the level of single neurons, neuronal networks or brain structures? Do the neurons that detect or expect basic rewards show similar activities with cognitive rewards? (Schultz, 2000) Cette problématique constitue le point de départ de cette thèse. Elle est abordée essentiellement sous un angle fondamental, mais également sous l'angle de la pathologie,

motivé par le fait que la perturbation de la sensibilité aux récompenses est connue pour être

une caractéristique majeure des troubles psychiatriques (Gorwood, 2008).

9Dans une partie introductive, nous revenons en détails sur la notion de récompense et

sur l'organisation fonctionnelle du " système de récompense », en évoquant à la fois les

recherches effectuées chez l'homme et chez l'animal. Nous faisons également un bref exposé sur le jeu pathologique, une maladie psychiatrique caractérisée par un comportement addictif vis-à-vis des jeux d'argent.quotesdbs_dbs25.pdfusesText_31

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