La dopamine et la sérotonine travaillent en opposition pour un apprentissage efficace

Résumé: L’interaction entre la dopamine et la sérotonine façonne le comportement en créant un équilibre entre la recherche de récompense et le contrôle des impulsions. Une nouvelle étude a démontré que les deux systèmes fonctionnent en opposition mais sont essentiels à un apprentissage efficace.

En utilisant l’optogénétique et des outils innovants, les chercheurs ont découvert que la dopamine agit comme un accélérateur de récompenses, tandis que la sérotonine sert de frein, modérant les actions impulsives et permettant une réflexion à long terme. Ce mécanisme de double contrôle donne un aperçu des troubles psychiatriques comme la dépendance et la dépression, suggérant des stratégies thérapeutiques potentielles ciblant leur équilibre.

Faits clés:

• La dopamine favorise la recherche de récompense en signalant quand les choses vont mieux que prévu, tandis que la sérotonine modère ces impulsions en encourageant la patience.
• Un apprentissage efficace nécessite que les deux systèmes fonctionnent, car leur absence perturbe la capacité de relier les signaux aux récompenses.
• Les découvertes pourraient conduire à de nouveaux traitements contre la dépendance, la dépression et d’autres troubles impliquant un déséquilibre dopamine-sérotonine.

Source: Stanford

Si vous avez entendu parler de deux neurotransmetteurs chimiques du cerveau, il s’agit probablement de la dopamine et de la sérotonine. Peu importe que le glutamate et le GABA fassent l’essentiel du travail : c’est le frisson de la dopamine en tant que « produit chimique du plaisir » et de la sérotonine en tant que doux stabilisateur de l’humeur qui font la une des journaux.

Bien sûr, la plupart des gros titres se trompent. Le rôle de la dopamine dans le façonnement du comportement va bien au-delà de simples concepts comme le « plaisir » ou même la « récompense ». Et le fait qu’il faut des semaines ou des mois pour que les antidépresseurs ISRS stimulant la sérotonine agissent suggère que ce n’est pas réellement l’augmentation immédiate des niveaux de sérotonine qui fait sortir le marasme de la dépression, mais un changement encore mystérieux dans les circuits cérébraux en aval.

Une nouvelle étude de l’Institut de neurosciences Wu Tsai de Stanford révèle une autre nouvelle facette de ces molécules qui contrôlent l’humeur.

La recherche, publiée en ligne le 25 novembre 2024 dans Naturedémontre pour la première fois exactement comment la dopamine et la sérotonine travaillent ensemble – ou plus précisément, en opposition – pour façonner notre comportement.

« En plus de leur implication dans notre comportement quotidien, la dopamine et la sérotonine sont impliquées dans une grande variété de troubles neurologiques et psychiatriques : dépendance, autisme, dépression, schizophrénie, maladie de Parkinson et bien d’autres », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Robert Malenka, professeur Pritzker de Psychiatrie et sciences du comportement à Stanford.

« Il est essentiel pour nous de comprendre leurs interactions si nous voulons progresser dans le traitement de ces troubles. »

La théorie : la dopamine et la sérotonine sont toutes deux importantes pour façonner le comportement – ​​mais comment ?

La recherche montre depuis longtemps que la dopamine et la sérotonine jouent un rôle crucial dans l’apprentissage et la prise de décision chez les espèces.

Cependant, l’interaction exacte entre ces neurotransmetteurs reste floue. Alors que la dopamine est associée à la prédiction et à la recherche de récompenses, la sérotonine semble modérer ces impulsions et favoriser la réflexion à long terme.

Deux théories principales ont émergé : « l’hypothèse de synergie », qui suggère que la dopamine gère les récompenses à court terme tandis que la sérotonine gère les bénéfices à long terme, et « l’hypothèse d’opposition », qui propose que les deux agissent comme des forces opposées équilibrant nos décisions, la dopamine nous incitant à action immédiate tandis que la sérotonine conseille la patience.

Cette nouvelle étude de Stanford, qui fait partie de l’initiative NeuroChoice du Wu Tsai Neuro, fournit le premier test expérimental direct de ces hypothèses concurrentes.

L’expérience : double contrôle de la dopamine et de la sérotonine lors de l’apprentissage associatif

Dirigée par l’étudiant diplômé Daniel Cardozo Pinto, l’équipe de recherche a créé des souris spécialement conçues qui leur ont permis d’observer et de contrôler les systèmes dopaminergique et sérotoninergique chez le même animal.

Cette approche innovante les a aidés à identifier où ces deux systèmes interagissent dans le cerveau, en particulier dans une région limbique appelée noyau accumbens, qui joue un rôle clé dans le traitement des émotions, de la motivation et des récompenses.

« Il s’agissait d’un projet très exigeant techniquement qui nous a obligé à développer de nouvelles stratégies pour enregistrer et manipuler simultanément l’activité de plusieurs neuromodulateurs chez des animaux éveillés et comportementaux », a expliqué Cardozo Pinto.

Cependant, il a ajouté : « J’ai persévéré parce que je soupçonnais fortement qu’il y aurait des interactions fascinantes entre les systèmes dopaminergiques et sérotoninergiques qui manquaient dans d’autres études axées sur un seul neuromodulateur à la fois, et il s’est avéré que c’était exactement le cas. cas. »

Cardozo Pinto et ses collègues ont utilisé leurs nouveaux outils innovants pour observer comment les signaux de dopamine et de sérotonine changeaient dans le noyau accumbens à mesure que les souris apprenaient à associer un son et une lumière clignotante à une douce récompense.

Ils ont découvert que les systèmes dopaminergiques et sérotoninergiques répondaient dans des directions opposées : la signalisation de la dopamine augmentait en réponse à la récompense, tandis que la signalisation de la sérotonine diminuait.

Les chercheurs ont ensuite utilisé la manipulation optogénétique (une technique qui utilise la lumière pour contrôler les neurones génétiquement modifiés) pour atténuer sélectivement la signalisation normale de chaque système – seul ou en combinaison – pendant l’apprentissage par récompense.

Comme on pouvait s’y attendre, compte tenu de l’histoire des études liant ces systèmes de signalisation à la récompense de l’apprentissage, le blocage de la signalisation de la dopamine et de la sérotonine a rendu impossible pour les souris de lier les signaux sonores et lumineux à une récompense sucrée.

Plus surprenant encore, la restauration des signaux dopaminergiques ou sérotoninergiques à elle seule n’a pas suffi à permettre aux animaux de réapprendre. Ce n’est qu’avec les deux systèmes en ligne que les animaux pourraient utiliser avec succès les signaux pour prédire l’arrivée d’une récompense.

« Le moment le plus surprenant et le plus mémorable du projet est survenu lorsque j’ai réalisé ma première expérience optogénétique, où j’ai testé si les souris préféraient l’expérience d’un boost de dopamine, d’un plongeon de sérotonine, ou les deux ensemble », se souvient Cardozo Pinto.

« Nous avons placé des souris dans une boîte et avons associé différentes parties de la boîte à chacune de ces expériences, afin que les souris puissent voter avec leurs pieds quelle expérience elles préféraient. Je n’oublierai jamais le plaisir d’entrer dans la pièce à la fin de l’expérience pour voir toutes les souris sur le côté de la boîte représentant ensemble les deux manipulations.

« Il est très rare en science d’obtenir un résultat si frappant qu’on puisse le voir immédiatement, et c’était notre première preuve directe pour soutenir l’hypothèse vieille de plusieurs décennies de l’opposition dopamine-sérotonine. »

À l’horizon : chorégraphier la dopamine et la sérotonine pour améliorer le traitement psychiatrique

Les résultats suggèrent que la dopamine et la sérotonine travaillent ensemble, mais de manière opposée, pour aider le cerveau à tirer des leçons des récompenses, affirment les chercheurs.

Sur la base de leurs résultats, ils proposent que les deux systèmes agissent un peu comme l’accélérateur et les freins d’une voiture. La dopamine encourage les comportements de recherche de récompense en signalant quand les choses sont meilleures que prévu, créant ainsi un signal « c’est parti ».

En revanche, la sérotonine semble freiner ce processus, créant un signal « d’arrêt » ou « d’attente », nous aidant potentiellement à être plus patients et à considérer les conséquences à long terme plutôt que de simples récompenses immédiates.

Selon l’étude, un apprentissage efficace nécessite à la fois le signal « aller » de la dopamine et le signal « d’attente » de la sérotonine pour qu’un organisme évalue correctement et réponde aux opportunités gratifiantes.

Les résultats ont également des implications pour les troubles impliquant un dysfonctionnement de la dopamine et de la sérotonine, tels que la dépendance, où l’hypersensibilité dopaminergique et les déficits sérotoninergiques contribuent à la recherche compulsive de récompense – et dans les troubles de l’humeur, notamment la dépression et l’anxiété, où une diminution de la signalisation de la sérotonine pourrait altérer la flexibilité comportementale et à long terme. planification à terme.

« Alors que le rôle de la dopamine dans l’apprentissage des récompenses est devenu de plus en plus clair, le système dopaminergique est devenu un point de départ naturel pour les études portant sur les maladies qui impliquent un traitement perturbé des récompenses, comme la dépendance et la dépression », a déclaré Cardozo Pinto.

« Nos travaux montrant que les systèmes dopaminergiques et sérotoninergiques forment un système de freinage à gaz pour la récompense suggèrent qu’il sera fructueux pour les travaux futurs de se concentrer sur l’équilibre relatif entre ces deux systèmes. »

Par exemple, dans le traitement de la toxicomanie, les thérapies pourraient viser à atténuer la signalisation hyperactive de la dopamine tout en augmentant l’activité de la sérotonine. Dans le cas de la dépression, l’objectif pourrait être d’améliorer les deux systèmes afin d’améliorer la motivation et la planification à long terme.

En outre, les progrès techniques réalisés par l’équipe pour réaliser cette étude pourraient avoir des applications à long terme pour la recherche en neurosciences, a ajouté Malenka.

« Les nouvelles méthodologies que nous avons développées pour cette étude peuvent désormais être appliquées à une multitude de questions fascinantes liées à la manière dont le cerveau gère les comportements adaptatifs et à ce qui ne va pas dans ces systèmes neuromodulateurs lors de troubles cérébraux courants tels que la dépendance, la dépression et les troubles du spectre autistique. »

Auteurs de l’étude : Daniel F. Cardozo Pinto, Matthew B. Pomrenze, Michaela Y. Guo, Gavin C. Touponse, Allen PF Chen, Neir Eshel et Robert C. Malenka à Stanford et Brandon S. Bentzley chez Magnus Medical à Burlingame, Californie.

Financement: subventions des National Institutes of Health (NIH) (K99DA056573, K08MH123791), une bourse de recherche pour diplômés NSF, une bourse HHMI Gilliam pour études avancées, une bourse de jeune chercheur de la Brain & Behaviour Research Foundation, une bourse de carrière du Burroughs Wellcome Fund pour les scientifiques médicaux, une Simons Foundation Bridge to Independence Award, fonds philanthropiques reversés au laboratoire Nancy Pritzker de l’université de Stanford, au Berg Programme de bourses d’études de la Stanford School of Medicine et prix pilote de l’Institut des neurosciences Wu Tsai NeuroChoice Initiative.

Intérêts concurrents : Eshel est consultante pour Boehringer Ingelheim. Bentzley est co-fondateur de Magnus Medical. Malenka fait partie des conseils consultatifs scientifiques de MapLight Therapeutics, MindMed et Aelis Farma.

À propos de cette actualité sur la recherche en neurosciences et en apprentissage

Auteur: Nicolas Weiler
Source: Stanford
Contact: Nicolas Weiler – Stanford
Image: L’image est créditée à Neuroscience News

Recherche originale : Accès fermé.
« Contrôle de l’adversaire du renforcement par la dopamine striatale et la sérotonine» de Robert Malenka et al. Nature

Abstrait

Contrôle de l’adversaire du renforcement par la dopamine striatale et la sérotonine

Les neuromodulateurs dopamine (DA) et sérotonine (5-hydroxytryptamine ; 5HT) régulent puissamment l’apprentissage associatif. Les similitudes dans l’activité et la connectivité de ces systèmes neuromodulateurs ont inspiré des modèles concurrents sur la façon dont DA et 5HT interagissent pour conduire à la formation de nouvelles associations.

Cependant, ces hypothèses n’ont pas été testées directement car il n’a pas été possible d’interroger et de manipuler plusieurs systèmes neuromodulateurs chez un seul sujet.

Ici, nous établissons un modèle murin permettant un accès génétique simultané aux neurones DA et 5HT du cerveau.

Le traçage antérograde a révélé que le noyau accumbens (NAc) était un point chaud putatif pour l’intégration des signaux convergents DA et 5HT.

L’enregistrement simultané de l’activité des axones DA et 5HT, ainsi que des enregistrements de capteurs DA et 5HT génétiquement codés, ont révélé que les récompenses augmentent la signalisation DA et diminuent la signalisation 5HT dans le NAc.

L’amortissement optogénétique des réponses de récompense DA ou 5HT a produit individuellement de modestes déficits comportementaux dans une tâche de conditionnement appétitif, tandis que l’émoussement des deux signaux a profondément perturbé l’apprentissage et le renforcement.

La reproduction optogénétique des réponses de récompense DA et 5HT était suffisante pour favoriser l’acquisition de nouvelles associations et soutenait le renforcement plus puissamment que l’une ou l’autre manipulation seule. T

Ensemble, ces résultats démontrent que les signaux striataux DA et 5HT façonnent l’apprentissage en exerçant le contrôle du renforcement par l’adversaire.