En regardant la Tour de Belém depuis la fenêtre de mon bureau – ce symbole portugais des grandes découvertes maritimes – je me demande souvent ce qui pousse les gens à explorer l’inconnu. Que se passe-t-il dans leur cerveau lorsqu’ils pèsent le pour et le contre avant d’essayer quelque chose de nouveau ? Pour répondre à cette question, en collaboration avec le Dr Zachary Mainen et son équipe de neuroscientifiques, nous étudions comment le cerveau gère l’incertitude lorsqu’il prend des décisions.
Obtenir une meilleure représentation des mécanismes neuronaux qui régissent nos choix permettrait de déterminer ce qui fait qu’une personne persiste à accomplir une action donnée, quel qu’en soit le risque. C’est important, car une telle propension peut entraîner des dysfonctionnements cognitifs menant à l’addiction ou à d’autres troubles compulsifs. En outre, on sait que le manque de persévérance face à l’adversité est une caractéristique des troubles dépressifs. Mieux comprendre les processus neuronaux qui contrôlent nos comportements pourrait donc, en ouvrant de nouvelles pistes thérapeutiques, avoir d’immenses implications pour la société.
Une vie de dilemmes
Imaginez que vous venez d’actionner le mécanisme d’un briquet. S’il ne s’allume pas, vous allez spontanément réessayer. Si, après la deuxième tentative, il n’y a toujours pas d’étincelle, vous recommencerez encore et encore, jusqu’à ce qu’une flamme jaillisse. À ce moment, vous saurez que votre briquet fonctionne. Mais si vous n’obtenez pas de flamme ? Combien de temps allez-vous continuer à vous acharner avant de décider de le jeter ?
Comme l’illustre ce petit exemple, notre vie quotidienne est remplie de dilemmes et d’incertitudes. Nous devons constamment choisir entre différentes options, que les conséquences de nos décisions soient triviales – dois-je continuer à allumer ce briquet ou m’en débarasser ? – ou risquent de changer notre vie – devrais-je mettre un terme à cette relation ou lui redonner une chance ? Généralement, nous pouvons soit continuer à faire ce que nous avons déjà l’habitude de faire, soit nous risquer à expérimenter des options inexplorées, qui pourraient s’avérer bien plus bénéfiques pour nous.
Face à ces situations, tout le monde ne réagit pas de la même façon. Certaines personnes sont naturellement enclines à tenter leur chance, tandis que d’autres préfèrent souvent s’en tenir à ce qu’elles connaissent le mieux. Et pourtant, être curieux, explorer sont des comportements fondamentaux pour les êtres humains et les animaux. Ils permettent par exemple de découvrir la meilleure façon de se procurer certaines ressources, qu’il s’agisse d’eau, de nourriture ou d’argent.
De la décision à l’action
Bien que les décisions que nous prenons aient un impact considérable sur notre vie quotidienne, nous ne comprenons que partiellement le processus complexe mis en œuvre lorsque nous délibérons et nous nous engageons. Ce sujet a été largement étudié du point de vue éthologique et théorique, et les neuroscientifiques ont découvert récemment plusieurs zones du cerveau qui contribuent à la résolution des dilemmes et agissent sur eux. Mais nous sommes encore loin de comprendre le chemin sinueux qui mène de la décision à l’action. En effet, même les décisions les plus banales mettent en jeu de nombreuses régions cérébrales, et impliquent la coopération de nombreuses cellules.
Revenons à l’exemple de tout à l’heure. Pour décider s’il vous faut continuer ou non à battre le briquet, vous devez d’abord recueillir une information : une flamme s’est-elle formée, oui ou non ? La réponse à cette question activera dans votre cerveau les régions responsables du traitement des informations sensorielles (comme celles produites par la vue ou le toucher). Selon que vous verrez la flamme ou ne la verrez pas, vous serez alors satisfait ou surpris. Cette réaction survient parce que, dans votre cerveau, les informations sensorielles sont communiquées au système impliqué dans la récompense. En retour, ce circuit de récompense, qui libère de la dopamine, une molécule impliquée notamment dans le plaisir, aidera à motiver le choix de votre prochaine action.
Que ferez-vous ensuite ? Eh bien, si vous voyez une flamme, vous pourrez simplement la maintenir en vie en continuant à presser la fourchette du briquet. Sinon, vous vous demanderez si le mouvement de votre doigt sur la molette a été bien exécuté, ou si le briquet est à court de gaz. Pour prendre en compte cette incertitude, vous mobiliserez les régions situées à l’avant de votre cerveau, dans le cortex frontal. Celles-ci sont impliquées dans les fonctions cognitives supérieures, telles que le jugement et la résolution de problèmes. Si vous pensez alors que le briquet n’est pas vide, vous l’actionnerez encore une fois. Là encore, c’est votre cortex frontal qui contrôlera la sélection de cette action volontaire.
Vous devrez enfin décider combien de temps vous êtes prêt à passer pour essayer d’allumer ce briquet. Votre choix variera selon que vous en avez un autre à portée de main, ou en fonction de votre motivation à allumer votre cigarette. Votre niveau de sérotonine, un neuromodulateur lié à la patience et à la persévérance, pourrait aussi influer sur la durée de votre entêtement. Et ce même si l’éventualité d’une récompense pour votre action apparaît rapidement incertaine…
Comprendre le processus décisionnel
Au Champalimaud Centre for the Unknown de Lisbonne, au Portugal, nous avons mis au point un exercice simple, qui reproduit avec des souris le dilemme du briquet. Dans cette expérience, les rongeurs cherchent à se procurer de l’eau, mais les gouttes ne leur sont délivrées qu’en petite quantité. Qui plus est, parfois, aléatoirement, la ressource en eau s’épuise. Les souris se retrouvent donc dans une situation qui ressemble à la confrontation avec un briquet capricieux, qui produirait des flammes de façon irrégulière jusqu’à ce que sa réserve de gaz soit soudain épuisée.
Au cours de cette expérience, nous surveillons attentivement le comportement des animaux pendant qu’ils accomplissent cette tâche de recherche d’eau, afin de comprendre jusqu’à quel point ils persévèrent, et à quel moment ils décident d’abandonner pour aller explorer ailleurs. Grâce à des modèles informatiques, nous pouvons expliquer les principaux aspects de ce processus décisionnel. Transposer ainsi un processus de décision compliqué (« après combien d’échecs dois-je abandonner et changer de stratégie ? ») dans un environnement naturaliste (recherche de nourriture ou d’eau) nous permet d’étudier la cognition chez les souris et de la mettre en parallèle avec celle des êtres humains. Comme l’explique mon collègue Pietro Vertechi, qui a développé la modélisation utilisée :
« Durant l’exercice, les animaux reçoivent de nombreux stimuli différents, depuis la couleur de la boîte jusqu’à l’odeur de l’expérimentateur ou au goût de l’eau. Or, la plupart de ces informations ne sont d’aucune utilité pour accomplir la tâche souhaitée. Grâce à des modélisations mathématiques du comportement, nous sommes à même de déterminer lesquelles de ces variables sont importantes, celles dont le sujet doit garder la trace (comme le nombre d’essais consécutifs ratés, par exemple). Nous pouvons ensuite rechercher quelles régions du cerveau enregistrent ces informations, et comment elles le font. »
Des technologies de pointe pour reconstruire le puzzle neuronal
Afin de reconstruire, pièce par pièce, le puzzle neuronal de la décision, nous cherchons à déterminer quels sont les mécanismes interactifs à l’œuvre dans le cerveau de la souris. Pour y parvenir, il nous faut suivre l’activité des différentes régions du système nerveux des rongeurs, et découvrir le rôle que joue chacune d’entre elles dans le processus de décision.
Nous utilisons pour cela des technologies de pointe, telle que la photométrie de fibre. Cette technologie récente nous permet de détecter, au moment où les souris obtiennent leur eau, le déclenchement de très faibles signaux au sein de leur cerveau, dans leur système de récompense, tel que celui produit par la libération de dopamine.
Grâce à une autre nouvelle technologie enregistrant simultanément l’activité électrique de centaines de neurones, nous sommes également capables d’écouter la conversation entre des neurones situés dans de multiples zones du cortex frontal, pendant que les animaux se livrent à une tâche donnée. Cette approche, qui permet d’obtenir une résolution spatio-temporelle fine, peut être utilisée pour suivre le trajet de l’information dans le cerveau, pendant la prise de décision.
Enfin, nous utilisons des lignées de souris modifiées génétiquement, dont le cerveau contient des sortes d’interrupteurs optiques. Ces derniers sont constitués de protéines sensibles à la lumière, appelées opsines. Ils nous permettent de contrôler l’activité neuronale des rongeurs à distance, via des impulsions lumineuses. Grâce à cet outil puissant, appelé optogénétique, il est possible de contrôler directement certains groupes de cellules, comme les neurones libérant de la sérotonine, et ainsi de tester leurs effets sur le comportement.
Bien que la sérotonine soit la principale cible des antidépresseurs, sa fonction exacte demeure énigmatique. En testant son rôle mécaniste sur la modulation des décisions et des actions volontaires, nous espérons mettre au jour un nouveau rôle fondamental pour cette molécule. Ce qui pourrait conduire à la mise au point de stratégies thérapeutiques innovantes.
Bien que nos travaux soient loin de dessiner un panorama complet de la façon dont notre cerveau prend ses décisions, ils ouvrent, un pas après l’autre, la voie menant à l’élucidation d’un des plus grands mystères des neurosciences. En outre, les réponses scientifiques obtenues à propos des actions et des décisions que nous prenons de notre propre initiative peuvent aussi alimenter les débats philosophiques, en particulier ceux qui touchent à la question du « libre arbitre ». En définitive, qui décide vraiment ? Votre cerveau ?
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