Neurotransmetteurs : catécholamines
Dopamine : rôles

La dopamine est un neurotransmetteur qui intervient dans de nombreuses fonctions du système nerveux central, dont le contrôle du mouvement, l'apprentissage, la motivation, l'attention et la cognition.

Ses effets dépendent des circuits neuronaux concernés, de la dynamique de sa libération et des récepteurs activés. Les réponses dopaminergiques phasiques et l'activité tonique participent à des mécanismes complémentaires.

Différentes approches théoriques cherchent à expliquer ces fonctions et leurs relations, en particulier l'apprentissage par renforcement et l'inférence active.

Dynamique de la transmission dopaminergique : réponses phasiques et toniques

La dopamine a été impliquée dans une variété de processus, i.e. mouvements, attention et cognition et de pathologies psychiatriques et neurodégénératives chez l'homme ( rôles de la dopamine).

Pour exercer ces différentes fonctions, la dopamine opère à différentes échelles de temps (Dopamine reward prediction-error signalling: a two-component response 2016).

1. Dans la réponse inférieure à la seconde, les neurones dopaminergiques présentent une réponse phasique d'erreur de prédiction à deux composantes avec (The short-latency dopamine signal: a role in discovering novel actions? 2006) :

• une composante initiale sensible à la détection et à la saillance des stimuli, suivie,
• d'une composante davantage liée à leur valeur de récompense

Cette réponse phasique constitue un signal neuronal qui est capable d'influencer d'autres systèmes neuronaux impliqués dans des fonctions comportementales rapides.

2. À une échelle de quelques secondes à plusieurs minutes, les concentrations extracellulaires de dopamine peuvent présenter des variations plus lentes, liées à différents mécanismes de libération et de régulation.

a. Il s'agit notamment :

• de l'activation comportementale (arousal) ou de l'inactivation forcée,
• du stress,
• de l'attention,
• du comportement lié à la récompense, de la punition et du mouvement (Prolonged Dopamine Signalling in Striatum Signals Proximity and Value of Distant Rewards 2013).

b. Ces variations ne correspondent pas nécessairement aux réponses phasiques classiques d'erreur de prédiction.

• Elles peuvent dépendre de modifications plus lentes de l'activité des neurones dopaminergiques et de mécanismes locaux de régulation présynaptique (Striatal dopamine release is triggered by synchronized activity in cholinergic interneurons 2012 et Dual control of dopamine synthesis and release by presynaptic and postsynaptic dopamine D2 receptors 2012).
• Elles peuvent également moduler la sensibilité des circuits aux signaux dopaminergiques rapides, sans que cette fonction soit exclusivement homéostatique (Regulation of firing of dopaminergic neurons and control of goal-directed behaviors 2007).

3. À une échelle encore plus lente, la dopamine exerce une influence tonique sur les structures postsynaptiques.

Cette influence tonique contribue, en interaction avec les réponses dopaminergiques phasiques, à la régulation :

• du mouvement,
• de la cognition,
• de l'attention,
• de la motivation.

Différentes approches théoriques du rôle de la dopamine

Différentes approches théoriques cherchent à expliquer les fonctions de la dopamine et leurs relations.

1. De nombreux auteurs font appel à la théorie de la décision optimale et à l'apprentissage par renforcement pour comprendre le rôle de la dopamine dans l'apprentissage et la sélection des actions en fonction des récompenses attendues.

Par exemple, un chien apprend à se diriger vers sa gamelle lorsqu'il entend son propriétaire préparer son repas.

Dans cette approche, la nourriture constitue une récompense dont la valeur attendue contribue à guider son comportement, compte tenu des coûts et des contraintes.

2. En revanche, dans l'inférence active, les résultats recherchés, comme l'obtention d'une récompense, sont représentés comme des observations préférées auxquelles le modèle attribue une forte probabilité a priori.

Dans l'inférence active, les préférences sont des paramètres du modèle et représentent les états ou les observations que l'organisme tend à rechercher, en raison de ses besoins biologiques ou de son expérience.

Dans notre exemple, le comportement du chien peut être expliqué en distinguant trois éléments.

• Ce qu'il préfère : obtenir de la nourriture lorsqu'il a faim.
• Ce qu'il prédit : en se dirigeant vers sa gamelle, il pourrait trouver de la nourriture.
• Ce qu'il fait : il se dirige vers sa gamelle parce que cette action pourrait lui permettre d'atteindre l'état préféré.

Le modèle distingue ainsi les observations préférées, auxquelles il attribue une forte probabilité a priori, des observations prédites comme conséquences possibles des actions.

Remarque : les deux approches peuvent donc expliquer un même comportement, mais diffèrent par la manière dont elles représentent les résultats recherchés et formalisent la sélection des actions.

Cette perspective revendique trois avantages théoriques par rapport aux approches classiques fondées sur la maximisation des récompenses.

a. Elle résout la tautologie inhérente à la notion de récompense.

Cette tautologie, i.e. le fait de redire la même chose, découle du fait que la récompense est utilisée pour expliquer le comportement de recherche de récompense, tout en étant définie en fonction de sa capacité à susciter un comportement de recherche de récompense.

b. Elle propose une autre formulation du problème de la sélection des actions, sans nécessiter la résolution explicite des équations d'optimalité de la programmation dynamique de Bellman, aussi appelées équations d’Hamilton-Jacobi-Bellman, utilisées dans certaines approches du contrôle optimal (Toward a modern theory of adaptive networks: expectation and prediction 1981 et The coordination of movement: optimal feedback control and beyond 2010).

c. Elle propose une interprétation unificatrice de plusieurs fonctions dopaminergiques, en particulier à travers la modulation de la précision des signaux intervenant dans les échanges entre les niveaux de la hiérarchie sensorimotrice.

Principales fonctions de la dopamine

La dopamine intervient dans de nombreuses fonctions du système nerveux qui dépendent :

• des circuits dopaminergiques impliqués ( voies dopaminergiques),
• des récepteurs activés,
• de la dynamique de la transmission dopaminergique.

1. Dans le contrôle du mouvement et de l'action, la dopamine intervient dans la régulation des circuits moteurs, en particulier dans les ganglions de la base, par l'intermédiaire de la voie nigrostriatale.

• a. Elle module l'activité des circuits striataux qui participent à la sélection, à l'initiation et à l'ajustement des actions ( processus GO-STOP).

Son action dépend notamment des interactions entre les voies directe activatrice et indirecte inhibitrice des ganglions de la base et des différents sous-types de récepteurs dopaminergiques.

• b. Une diminution importante de la transmission dopaminergique nigrostriatale perturbe le fonctionnement de ces circuits et contribue aux troubles moteurs de la maladie de Parkinson.

2. Dans l'apprentissage, la dopamine participe à l'acquisition et à la modification des relations entre les stimuli, les actions et leurs conséquences, en interaction avec la plasticité synaptique des circuits concernés.

Les neurones dopaminergiques peuvent émettre des réponses phasiques codant des erreurs de prédiction de récompense (RPE) qui :

• correspondent aux différences entre les récompenses obtenues et les récompenses attendues (erreurs de prédiction et dopamine),

Ces écarts peuvent être positifs lorsque le résultat est meilleur que prévu et négatifs lorsqu'il est moins favorable (erreurs de prédiction signées et non signées dans l'apprentissage associatif),

• participent à la modification des associations apprises et à l'actualisation des valeurs attribuées aux stimuli et aux actions (algorithmes d'apprentissage par renforcement).

3. Dans la motivation, la dopamine contribue à l'attribution d'une valeur aux stimuli et aux actions ainsi qu'à l'engagement dans les comportements dirigés vers un but.

• Elle intervient dans la mobilisation de l'effort nécessaire pour obtenir un résultat attendu (effort et motivation),

Son activité peut ainsi influencer la disposition de l'organisme à entreprendre une action et à persévérer malgré son coût.

• La dopamine participe également à la saillance incitative, qui correspond au pouvoir motivationnel acquis par certains stimuli associés à des récompenses (wanting et saillance incitative).

Un stimulus peut ainsi devenir particulièrement attractif et déclencher un comportement d'approche en raison des associations apprises et de l'état motivationnel de l'organisme (What is the role of dopamine in reward: hedonic impact, reward learning, or incentive salience? 1998).

• Il faut distinguer cette fonction motivationnelle du plaisir hédonique proprement dit. (liking et plaisir hédonique)

Son rôle dans la motivation et la recherche d'une récompense peut être dissocié des mécanismes responsables de l'expérience hédonique.

4. Dans l'attention et l'orientation du comportement, la dopamine contribue à la modulation des réponses aux événements sensoriels importants, nouveaux ou inattendus.

• Certaines réponses dopaminergiques rapides sont déclenchées par des événements saillants, indépendamment de leur valeur de récompense immédiate.

Ces réponses peuvent contribuer à la détection de changements dans l'environnement et à l'orientation du comportement vers des événements susceptibles de nécessiter une adaptation ( comportement adaptatif).

• La dopamine participe également à la modulation de certains processus attentionnels, en interaction avec les réseaux corticaux et sous-corticaux.

5. Dans la cognition et les fonctions exécutives, la dopamine module le fonctionnement des circuits préfrontaux et frontostriataux impliqués dans la mémoire de travail, le contrôle cognitif et la flexibilité comportementale.

• Selon les conditions, elle peut favoriser la stabilisation des représentations internes maintenues en mémoire de travail ou faciliter leur actualisation lorsque de nouvelles informations doivent être prises en compte.
• Son influence sur les performances cognitives dépend de nombreux facteurs, dont la concentration locale de dopamine, les sous-types de récepteurs et l'état fonctionnel des réseaux concernés.

Une augmentation de la transmission dopaminergique n'améliore donc pas nécessairement les performances. Certaines fonctions présentent une relation non linéaire, souvent décrite par une courbe en U inversé, entre l'activité dopaminergique et l'efficacité cognitive.

6. Dans la prise de décision et la sélection des actions, la dopamine contribue à l'évaluation des conséquences attendues et à la modulation des circuits qui participent au choix d'un comportement.

• Elle intervient dans la prise en compte des coûts et des bénéfices ainsi que dans l'actualisation des valeurs associées aux différentes options (valeur d'option et valeur d'action).

Ces mécanismes participent à la sélection des comportements dirigés vers un but.

• Les circuits dopaminergiques interagissent avec les réseaux corticaux et les ganglions de la base pour moduler la compétition entre les actions possibles.

Cette perspective peut être rapprochée de l'hypothèse de la compétition entre les affordances, selon laquelle plusieurs possibilités d'action sont représentées et mises en concurrence avant la sélection d'un comportement (Cortical mechanisms of action selection: the affordance competition hypothesis 2007).

7. Dans le traitement de l'incertitude, la dopamine intervient dans la modulation de l'activité neuronale et peut influencer le poids attribué à certaines informations (dopamine, rampe et incertitude).

• L'activité de populations dopaminergiques peut varier en fonction de l'incertitude associée aux récompenses attendues (Discrete Coding of Reward Probability and Uncertainty by Dopamine Neurons 2003) et (Explicit neural signals reflecting reward uncertainty 2008).).

Ces résultats doivent être distingués du codage des erreurs de prédiction de récompense ( dopamine et erreurs de prédiction).

• Dans certaines formulations du codage prédictif (précisions des erreurs de prédiction) et de l'inférence active, la dopamine est proposée comme un modulateur de la précision attribuée à certains signaux neuronaux.
  • Cette hypothèse vise à expliquer comment la modulation dopaminergique pourrait influencer le poids accordé aux informations intervenant dans la perception, la sélection des actions et le contrôle du comportement.
  • Elle ne signifie toutefois pas que l'ensemble des fonctions dopaminergiques se réduit au codage de la précision.

8. Dans les troubles neurologiques et psychiatriques, les perturbations de la neurotransmission dopaminergique peuvent contribuer à différents dysfonctionnements moteurs, cognitifs et comportementaux.

• Dans la maladie de Parkinson, la dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substantia nigra pars compacta entraîne une diminution de l'innervation dopaminergique du striatum, responsable d'une part importante des troubles moteurs.
• Dans la schizophrénie, plusieurs modèles mettent en cause des perturbations de la transmission dopaminergique, dont les conséquences diffèrent selon les circuits concernés.

La notion de saillance aberrante propose que certains stimuli ou certaines représentations reçoivent une importance excessive ou inappropriée, susceptible de contribuer à certains symptômes psychopathologiques.

• La dopamine intervient également dans les modèles neurobiologiques du TDAH (Trouble de Déficit de l'Attention/hyperactivité), notre HSHA (HyperSensibilité/HyperActivité vétérinaire),, en interaction avec d'autres systèmes de neurotransmission.

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