Le rôle computationnel du noyau sub-thalamique dans la prise de décision Par Mickaël J. Frank.

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1 Le rôle computationnel du noyau sub-thalamique dans la prise de décision
Par Mickaël J. Frank

2 But de l’article Exposer un nouveau modèle portant sur les processus de prise de décision et de renforcement de l’apprentissage. Ou plus exactement amélioration d’un modèle préexistant en lui incorporant le noyau subthalamique. Sandrine ->Déchiffrer les mécanismes par lesquels le cerveau soutient la sélection de réponse, un processus central dans la prise de décision ->Présentation de l’ancien modéle ->cas déficient ->Probleme ->Reprise du modèle avec tentative d’amélioration ->application à PD

3 introduction Grâce à des simulations de réseaux de neurones, le modèle explique les déficits de la sélection des réponses associés à la diminution de dopamine dans les ganglions de la base (GGB) dans la maladie de Parkinson. Le modèle saisie fidèlement la dynamique de l’activité dans les différentes aires de GGB pendant la sélection de réponses. Le modèle explique les effets utiles des lésions du STN dans les oscillations des structures, mais suggère que cet avantage peut venir du prix de la diminution de prise de décisions. MARION Les GGB coordonnent les processus de prise de décision en facilitant les commandes motrices frontales adaptatives en supprimant les autres. Les GGB semblent jouer un rôle principal dans les processus de prise de décision, les supports de la sélection de réponses du cerveau. Le rôle des GGB au niveau du contrôle moteur serait de faciliter sélectivement l’exécution d’une simple commande motrice adaptative en supprimant toutes les autres. De plus, les circuits liants les GGB avec plusieurs aires cognitives du cortex frontal sont similaires à ceux observés dans le domaine moteur. Ça augmente donc la possibilité que les GGB participent à la prise de décision cognitive analogiquement à leur rôle dans le contrôle moteur. Ce modèle incorpore le STN et montre que quand une réponse est exécutée, le STN réduit les réponses prématurées et par conséquent a des effets considérables sur quelle réponse est sélectionnée, particulièrement quand il y a plusieurs réponses en compétition.

4 ANCIEN MODELE Sandrine
->Basé sur une richesse des données, BG jouent un rôle principal dans ces processus. ->contexte du control moteur, BG facilite sélectivement l'exécution d'une seule commande adaptative motrice, en supprimant toutes les autres . -> circuits reliant les BG avec des aires cognitives importantes du cortex frontal sont ≈ domaine moteur, >possibilité que les BG participent à la prise de décision cognitive ≈ rôle dans le control moteur .

5 2 voies indépendantes permettent la sélection de la réponse la plus appropriée
La voie direct « Go » qui facilite l'exécution d'une seule réponse. Striatum->Gpi->thalamus->cortex La voie « NoGo » qui empêche l'exécution de toutes les autres . Striatum->Gpe->Gpi->thalamus->cortex

6 Ancien modèle de réponse
Striatum Go No Go - - - GPi GPe désinhibe Libère l’inhibition tonique du GPi - - Thalamus SANDRINE 2 voie agissant indépendament dans GB: striatum->≠ noyau de BG ->thalamus ->cortex Go: ->voie direct ->facilite execution commande moteur presente dans cortex ->cellule du striatum ->projette et inibe segment interne du globus palidus (Gpi)->inibe thalamus, au final exit thalamus(--=+)->cet comande faciliter dans cortex Nogo: ->voie indirecte ->suprime les autre reponses ->cellule du striatum ->projette et inibe segment externe du globus palidus (Gpe)->inibe Gpi,-> + Gpi (--=+)->inibe thalamus, au final inib thalamus->ces comande sont reduites dans cortex ->Ce modèle montre que la réponse la plus adaptée représentée dans le cortex prémoteur tend à être facilitée pendant que les moins adaptées sont supprimées. Dans Gpi moyenage inib de go de R1+exit de nogo R1= ->soit inib gpi-> -thalamus = + thalamus, R1 cortex ->soit exit gpi-> - thalamus=- thalamus,pas R1 cortex - + Réponse motrice corticale - = inhibition + = excitation

7 Le rôle de la dopamine La dopamine excite les récepteurs D1 de la voie directe/Go et inhibent les récepteurs D2 de la voie indirecte/No Go. Face à une réponse positive, l’apprentissage se fait dans la voie directe/Go. Diminution de DA après une réponse incorrecte. Les neurones No Go et Go sont inhibés par la DA ce qui conduit à un apprentissage No Go donc plus lent. SANDRINE Il y a une compétition entre Go et No Go au niveau du GPi: moyenage inib de go de R1+exit de nogo R1= ->soit inib gpi-> -thalamus = + thalamus, R1 cortex ->soit exit gpi-> - thalamus=- thalamus,pas R1 cortex ->Libération de dopamine par la substance noire sur le striatum module le poids des voies dans la balance « Go/NoGo »pour chaque reponses possibles. Sur les recepteur D1 des cellues de la voie « Go » entrene une augmentation du poids de « Go » dans la balance. Sur les recepteur D2 des cellues de la voie « NoGo » entrene une diminution du poids de « NoGo » dans la balance. ->Les processus de récompense de DA dans les GGB peuvent enraciner des habitudes prémotrices dans les aires corticales frontales. Une fois que ces habitudes sont enracinées, il y a moins besoin de facilitation sélective dans les GGB >0 Feedback:Boone reponse entrene snc liber dopamine ver D1 et D2 se qui aucmente pre exitabl de la bonne reponse en Go et diminue encore plus son poid en no go-> plus go <0 feedback:Mauvaise reponse entrene dim dopa sur D2 se qui permet glutamate plus posible de choisir Une diminution de la DA entraîne beaucoup d’activité No Go, une diminution de l’activité dans le GPe et une augmentation de l’activité dans le GPI. Quand des animaux ont moins de DA après des lésions expérimentales du STN, ils n’ont plus de symptômes. C’est cohérent avec les observations que l’intégrité dopaminergique dans les GGB est encore plus cruciale pour l’acquisition que pour l’exécution de réponses. C’est aussi cohérent avec de récentes observations selon lesquelles l’activité d’apprentissage est vue initialement dans les GGB et est seulement observée après dans le cortex frontal.

8 - = inhibition + = excitation Sandrine
*La dopamine excite les récepteurs D1 de la voie directe/Go et inhibent les récepteurs D2 de la voie indirecte/No Go. *Face à une réponse positive, l’apprentissage se fait dans la voie directe/Go. *Diminution de DA après une réponse incorrecte. Les neurones No Go et Go sont inhibés par la DA ce qui conduit à un apprentissage No Go donc plus lent. Explication: poids attribué aux Go et No Go de R1 et R2 dans le striatum. Arrivent dans le GPi qui moyenne le poids de R1 et R2. La réponse la plus « lourde » est envoyée dans le thalamus puis dans le cortex prémoteur. + = excitation

9 Anciens modèles de réponse
Problème: quand il y a des lésions du noyau sous-thalamique, les tremblements des PD diminuent mais il y a des déficits cognitifs. Hors avec les modèles traditionnels, il est difficile de comprendre comment le STN participe à la sélection de réponse et à la prise de décision. SANDRINE ->->Comme BG = réseau complexe d’aires cérébrales en interactions dynamiques, -> difficile de développer une compréhension mécanique d'exactement comment ils participe à la sélection de réponse et à la prise de décision avec des modèles traditionnels de boîte et de flèche. car explorent la dynamique de l'activité du réseau de BG ->Les modèles computationnels pour donner un aperçu de ces problèmes. ->pluto que striatum ->Gpe ou Gpi, travaux montre striatum->tout gpe-> mais peu gpi ou Go et NoGo separet par derivation de temp: Go: inib gpi->inb (+) thalamus-<cortex NOGo:inib gpe_>inibit gpi(+)->plus detemp a gpi car inib inib ->récament on a découvert que des stimulations profondes du cerveau au niveau du noyau subthalamique (STN) améliore spectaculairement les symptômes moteur de la maladie de Parkinson, avec à la fois une amélioration et un affaiblissement dans la cognition. Donc le STN doit participer a ses processus. -> présente donc un modèle de réseau de neurone qui explore la contribution unique du STN dans les circuits globaux des BG.

10 Maladie de Parkinson-GGB-Dopamine
Mort des Cellules dopaminergiques du cerveau moyen qui se projettent sur les GGB. Symptômes moteurs comme tremblements, rigidité et lenteur des mouvements. Déficits cognitifs: apprentissage procédural pour la mémoire de travail, la prise de décision et l’attention. MARION Les GGB semblent jouer un rôle principal dans les processus de prise de décision, les supports de la sélection de réponses du cerveau. Le rôle des GGB au niveau du contrôle moteur serait de faciliter sélectivement l’exécution d’une simple commande motrice adaptative en supprimant toutes les autres. De plus, les circuits liants les GGB avec plusieurs aires cognitives du cortex frontal sont similaires à ceux observés dans le domaine moteur. Ça augmente donc la possibilité que les GGB participent à la prise de décision cognitive analogiquement à leur rôle dans le contrôle moteur. Un même modèle standard a été utilisé pour expliquer les effets négatifs de la médication dopaminergique sur la cognition dans la maladie de Parkinson. Les médicaments améliorent les performances dans les tâches d’attention MAIS diminuent les performances dans les tâches d’apprentissage probabiliste: prendre la décision la plus adaptée. Hypothèses pour simuler les effets: Les médicaments augmentent le niveau tonique de DA mais cette augmentation interfère avec les aptitudes du système naturel biologique pour réguler dynamiquement les changements de DA. Face à une réponse négative, il y a normalement une diminution de DA mais là, les agonistes de la DA continuent à s’attacher aux récepteurs. Les niveaux de DA ainsi augmentés suppriment la voie indirecte/No Go. Les réseaux sont donc incapables d’apprendre « No Go » pour changer de stratégie de réponse et trouver une autre réponse mieux adaptée. Quand on diminue les niveaux de DA, l’apprentissage No Go est épargné mais l’apprentissage Go est réduit. Les médicaments dopaminergiques apaisent les déficits de l’apprentissage Go mais bloquent les effets de la diminution de DA nécessaires pour soutenir l’apprentissage No Go. Quand on administre des médicaments/drogues agonistes et antagonistes aux récepteurs D2, il y a le même effet GGB/DA étendu à un haut niveau de tâches de mémoire de travail qui requièrent de faire attention aux informations de la tâche. Les GGB sont donc en interaction avec le cortex préfrontal, la mémoire de travail et l’attention.

11 Le Noyau sub-thalamique (STN)

12 Le STN Le noyau sub-thalamique permet l’inhibition des réponses non optimales. Il prévient ainsi les réponses impulsives et prématurées durant les épreuves de décision de haut conflit. MARION Le noyau sub-thalamique sert dans la prise de décision. Quand on est face à un choix multiple de réactions, il y a compétition entre les différents comportements (réponses) à adopter. Le STN est essentiel pour permettre à toutes les informations d’être intégrées avant la prise de décision.

13 Le STN Le STN participe beaucoup au contrôle moteur et aux processus cognitifs. Le modèle computationnel explore la contribution du STN dans le cadre de renforcement de l’apprentissage et de la prise de décision à travers 4 réponses en compétition. SANDRINE Le STN supporte un signal global modulatoire de facilitation et suppression de TOUTES les réponses, au lieu de moduler l’exécution d’une réponse PARTICULIERE. Les simulations vont montrer que ce signal modulatoire (toutes les réponses en compet) ne peut pas être remplacé par un simple paramètre de seuil de réponse. En effet, il varie suivant le contexte et les apprentissages. Ses effets sont dynamiques, comme les processus de sélection de réponse se développent, et cette efficacité dépend d’entrées excitatrices venues du cortex préfrontal. La simulation de la diminution de DA dans le modèle vient des oscillations émergentes dans les structures de sortie du STN et des GB. Elles ont été prouvées empiriquement et semblent être la source des tremblements de Parkinson. Les simulations montrent que le STN peut être crucial pour les processus de sélection d’action, pour prédire une réponse prématurée. Donc toutes les réponses potentielles sont considérées avant de faciliter la plus appropriée. Le cortex entraîne une excitation primaire du STN donc quand il y a des lésions du cortex, il n’y a pas d’oscillation. L’oscillation est moins importante quand il n’y a pas de réponse motrice sélectionnée.

14 Le STN dans la maladie de Parkinson
Des stimulations profondes du cerveau dans le STN améliorent les symptômes moteurs de la PD qui entraînent à la fois un accroissement et des affaiblissements dans la cognition. MARION On observe dans la maladie de Parkinson, une augmentation de l’activité du STN pcq il y a moins d’entrées GABAergiques dans le GPe. Les tremblements sont dus à beaucoup d’activité dans le STN, le GPe et le GPi. Des lésions simulées du STN dans des réseaux de DA diminuée rendent l’activité GPi normale et éliminent les oscillations GPi/GPe. Les lésions du STN entraînent un affaiblissement des processus de sélection de réponse et permettent des réponses prématurées alors qu’il faudrait les supprimer (faire partir toutes les réponses en même temps) quand les réponses sont en compétition.

15 But du nouveau modèle Comprendre comment les aires en interaction dans le système GB-aires frontales apprennent à sélectionner des réponses adaptées et participent à la prise de décision cognitive, par le biais de simulations computationnelles antérieures. Nous allons vous présenter un modèle de réseau neuronal qui explore l’unique contribution du STN dans l’ensemble du circuit des GB. SANDRINE Cherche aussi a trouver nouveau mod qui n’a pas les probleme de ancien: ->dc computationel, ->qui implique noyau sous thalamique et ->passe l’epreuve de cas deficient PD.

16 NOUVEAU MODELE COMPUTATIONNEL
Sandrine -> le STN peut commander dynamiquement le seuil d’exécution de réponse, cette fonction est de manière adaptative modulée par le degré de multiplicité de réponses en compétitions activées, comme dans des décisions difficiles. ->le STN est essentiel pour permettre à toutes les informations d'être intégrées avant la prise de décisions, et empêcher de ce fait les réponses impulsives ou prématurées pendant les épreuves de haut-conflit de décision. ->On s’apuie sur un fonctionnement de base similaire a celui du schéma pré cédant dans le quels nous alons changer quelques structure.

17 Changements Incorporation du STN
Voie « hyper direct » cortex->STN->Gpi Voie « NoGo global » Cortex->STN->Gpe SANDRINE Voie « hyper direct » cortex->exit STN->exit Gpi ->moins cortex pour tout les reponses ->empeche reponse prématuré ou impulsive (+devoir faire effort pour lever inib instaler) Voie  »global nogo » Cortex->exitSTN->exitGpe activation proportionel du STN (en foction nb de reponse en conpetition) par le cortex ->exit voie globalnogo(cortex->STN->exitGpe)fort si pls reponse->inib gpi+inb STN(->-exit gpi≈inib)->inib gpi->exit thalamus ->lever des inibition pour tout reponse ->otoryse système GB a considerer toute les possibiliter avant signal go

18 SANDRINE La majorité des neurones activant le Gpe active le GPi en plus. ->Beaucoup de neurones GPe convergent vers un seul de neurones STN. ->Chaque neurone GPe reçoit beaucoup de projections de tous les neurones STN. D’après le modèle: Le STN envoie un signal No Go global adaptatif (en fonction du nb de reponse) et donne du temps pour considérer toutes les réponses possibles avant de sélectionner la plus adaptée. Le STN est crucial pour prévenir les réponses prématurées et supprimer toutes les réponses inadaptées. La force du signal No Go global est modulée par le degré du conflit de réponses dans le cortex prémoteur. Donc s’il y a une compétition entre plusieurs réponses actives, le réseau peut mettre plus de temps à en sélectionner une donnée. Le degré et la durée d’activité du STN sont directement liés au nombre de conflits de réponse dans les représentations du cortex moteur où les conflits émergent comme une fonction de l’apprentissage antérieu/précédent. 1er temp: *activation voie hyperdirecte(cortex->exit STN->exit Gpi->inib thalamus) ->moins cortex pour tout les reponses ->empeche reponse prématuré ou impulsive (+devoir faire effort pour lever inib instaler) *activation proportionel, progressive du STN (en foction nb de reponse en conpetition) par le cortex ->exit voie globalnogo(cortex->STN->exitGpe)fort si pls reponse->inib gpi+inb STN(->-exit gpi≈inib)->inib gpi->exit thalamus ->lever des inibition pour tout reponse ->otoryse système GB a considerer toute les possibiliter avant signal go Second temp: ->Le STN et le Gpe s’exit et s’inib dans un feedback negative: - STN->exit – Gpe->inib – STN->ext + Gpe->-STN Cycle, ce maintienne plus ou moins en place ->marche≈ comme dans model1 selection de reponse

19 Conclusion Le STN a donc un rôle majeur dans la prise de décision et le renforcement de l’apprentissage. Son action est modulée par des neurotransmetteurs tels que la dopamine. Cependant un futur travail computationnel nous aidera à mieux comprendre à la fois les effets thérapeutiques et détériorant de stimulations du STN, sur les processus moteurs et cognitifs, dans la maladie de Parkinson et les désordres associés. MARION