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Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (26/06/2007), Stanislas Dehaene (Dir.)
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Landmann_these_2007.pdf(4.9 MB)
Le cortex préfrontal et la dopamine striatale dans l'apprentissage guidé par la récompense : conception et étude d'une tâche cognitive d'exploration par essais et erreurs en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle et en tomographie par émission de positons avec le 11C-raclopride
Claire Landmann1

Les modèles du contrôle exécutif et du cortex préfrontal accordent une place grandissante au signal de récompense dans la prise de décision. La dopamine pourrait jouer un rôle clé en signalant l'écart entre la récompense reçue et celle qui était prédite (erreur de prédiction de la récompense).
Nous avons combiné les méthodes de psychophysique, d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), et de tomographie par émission de positons (TEP) avec un antagoniste des récepteurs dopaminergiques D2/D3 (11C-raclopride) afin d'étudier chez l'homme les mécanismes de l'apprentissage d'une séquence motrice guidé par la récompense. L'IRMf nous a permis d'analyser en détail la dynamique de cet effort mental, impliquant un réseau préfrontal, pariétal et striatal distribué qui s'activait rapidement durant les périodes de recherche de séquences par essais et erreurs et s'effondrait durant les périodes suivantes de répétition routinière. Cet effondrement pouvait être conduit par un processus de déduction élémentaire préalable à la réception de la récompense (autoévaluation).
De plus, certaines sous-régions de ce réseau étaient particulièrement engagées dans le traitement de paramètres statistiques de la récompense (l'erreur de prédiction et la quantité d'information).
Parallèlement, nous avons développé une méthode récente d'évaluation dynamique de la libération de dopamine in vivo en TEP, et avons montré que la libération de dopamine augmentait bilatéralement au sein du striatum ventral et du noyau caudé durant la tâche de recherche. Afin de valider ces observations et d'évaluer la sensibilité de cette méthode, nous avons mis en oeuvre un paradigme TEP standard (mesure du « binding potential » du raclopride). Celui-ci nous a en outre permis de mesurer une corrélation entre la libération de dopamine dans le striatum ventral droit et les valeurs comportementales des sujets. Ces résultats sont en accord avec l'hypothèse d'un rôle de la dopamine striatale dans l'apprentissage guidé par la récompense chez l'homme.
Pour la première fois à notre connaissance, l'emploi combiné de l'IRMf et du marquage des récepteurs dopaminergiques en TEP nous a ainsi permis de considérer à la fois la dynamique de l'activation cérébrale et la « neurochimie cognitive » dans une situation d'effort mental et d'apprentissage guidés par la récompense.
1:  LCogn - Neuroimagerie cognitive
cortex préfrontal – dopamine – contrôle exécutif – auto-évaluation – erreur de prédiction de la récompense – psychophysique – IRMf – TEP – 11C-raclopride

Prefrontal cortex and striatal dopamine in reinforcement learning: Design and study of a cognitive exploration task guided by reward with functional magnetic resonance imaging and positron emission tomography with 11C-raclopride
Models of executive control and prefrontal cortex give a growing importance to reward signals in decision-making. Dopamine could play a key role in signalling the difference between obtained and expected reward (reward prediction error). We combined psychophysics, functional magnetic resonance imaging (fMRI), and positron emission tomography (PET) with a dopaminergic D2/D3 receptor antagonist (11C-raclopride) in order to study the neural bases of reinforcement learning of a motor sequence in human. fMRI allowed us to track the dynamics of this mental effort, which implied a large bilateral prefrontal, parietal and striatal network that activated suddenly during trial and error learning periods and collapsed during ensuing routinized repetition periods. This collapse could be driven by an elementary deduction process that predated the actual reception of reward (autoevaluation).
Moreover, some regions of that network were particularly engaged in processing statistical parameters of reward (the reward prediction error and the quantity of information).
At the same time, we developed a recent method of dynamical evaluation of dopamine release in vivo using PET. We showed that dopamine release increased bilaterally in ventral striatum and caudate nucleus during periods of trial and error search of motor sequences. In order to validate these observations and to evaluate the sensitivity of that method, we employed a standard PET paradigm (measure of raclopride binding potential).This paradigm also allowed us to measure a correlation between dopamine release in the right ventral striatum and subjects' behavioural values. These results are in line with the hypothesis of a role of the striatal dopamine in reinforcement learning in humans.
Thus, for the first time, the combination of fRMI and of dopaminergic receptors labelling with PET allowed us to shed light on both the dynamics of cerebral activation and the “cognitive neurochemistry” involved in a mental effort and reinforcement learning situation.
prefrontal cortex – dopamine – executive control – auto-evaluation – reward prediction error – psychophysics – fMRI – PET – 11C-raclopride – human

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