La sérotonine améliore l'apprentissage, pas seulement l'humeur
Le neurotransmetteur sérotonine est lié au contrôle de l'humeur, bien qu'il aide également à réguler diverses autres fonctions, telles que le sommeil et le désir sexuel. De nouvelles recherches ont révélé un autre rôle joué par la sérotonine: augmenter la vitesse d'apprentissage.
Bien que les variations des taux de sérotonine soient liées à des troubles de l'humeur comme la dépression, nous ne savons toujours pas grand-chose de tous les rôles joués par ce neurotransmetteur.
Certaines études antérieures l’ont reliée à la mémoire et à la neuroplasticité, ou à la capacité du cerveau à s’adapter continuellement tout au long de la vie d’une personne afin de préserver sa santé et ses fonctions cognitives.
Maintenant, des scientifiques de deux institutions - le Centre Champalimaud pour l'inconnu (CCU) à Lisbonne, au Portugal, et l'University College London (UCL) au Royaume-Uni - ont approfondi et découvert que la sérotonine est également impliquée dans les processus d'apprentissage.
Plus précisément, il semble contribuer à la vitesse à laquelle nous apprenons de nouvelles informations, comme l'expliquent les chercheurs dans un article maintenant publié dans la revue. Communications de la nature.
L'étude, menée sur un modèle murin, a testé la rapidité avec laquelle les animaux seraient capables d'adapter leur comportement à une situation donnée. La sérotonine semble jouer un rôle dans ce processus.
«L'étude a révélé que la sérotonine améliore la vitesse d'apprentissage», explique le co-auteur de l'étude Zachary Mainen, du CCU.
«Lorsque les neurones sérotoninergiques étaient activés artificiellement, à l'aide de la lumière, cela permettait aux souris d'adapter plus rapidement leur comportement dans une situation qui exigeait une telle flexibilité», ajoute-t-il.
"Autrement dit, ils ont donné plus de poids aux nouvelles informations et ont donc changé d'avis plus rapidement lorsque ces neurones étaient actifs."
Zachary Mainen
Deux stratégies d'apprentissage
Afin d’étudier les processus d’apprentissage et la vitesse des animaux, les chercheurs ont exposé les souris à une tâche d’apprentissage dont l’objectif était de trouver de l’eau.
«Les animaux ont été placés dans une chambre où ils devaient piquer soit un distributeur d'eau sur leur côté gauche ou un sur leur droite - qui, avec une certaine probabilité, distribuerait ensuite de l'eau, ou non», explique l'auteur de l'étude Madalena Fonseca, de le CCU, expliquant le modèle d'expérience.
Les souris ont continué à essayer d'obtenir de l'eau des distributeurs, et elles ont appris comment elles étaient plus susceptibles de la trouver en fonction d'essais et d'erreurs. Mais, selon l'équipe, le temps d'attente des animaux entre les tentatives varie généralement.
Parfois, les animaux ont fait une autre tentative pour obtenir de l'eau immédiatement après avoir déjà essayé, et parfois ils ont attendu plus longtemps avant un autre essai.
Les scientifiques ont également constaté que les souris avaient tendance à attendre plus longtemps entre les tentatives de début et de fin d’une journée d’expérimentation.
Cela a conduit les chercheurs à émettre l'hypothèse qu'au début d'une session, les animaux pourraient encore être assez distraits et indifférents à la tâche à accomplir, «espérant peut-être sortir de la chambre expérimentale», comme l'écrivent les auteurs de l'étude.
Là encore, à la fin d'une session, les souris peuvent manquer de motivation pour continuer à chercher de l'eau car, à ce moment-là, elles ont peut-être déjà été rassasiées.
La variabilité ainsi observée a finalement conduit l'équipe à comprendre comment la sérotonine pouvait affecter l'apprentissage et la prise de décision.
En fonction du temps d'attente préféré par les souris entre leurs tentatives pour trouver de l'eau, ils ont également utilisé l'un des deux types de stratégies afin de maximiser les chances de succès de leurs essais.
Mémoire de travail vs mémoire à long terme
Avec de courts intervalles de temps d'attente entre les tentatives des animaux, les scientifiques ont remarqué que les souris avaient tendance à baser leur stratégie sur le résultat - réussi ou infructueux - de l'essai précédent.
Autrement dit, si les souris venaient de réussir à récupérer de l'eau dans un distributeur, elles réessayeraient le même. Si celui-ci échouait maintenant, ils passeraient alors à l'autre distributeur. Cette approche est connue sous le nom de stratégie «gagnant-rester-perdant».
Dans le cas d'intervalles plus longs de temps d'attente entre les essais, les souris étaient plus susceptibles de faire un choix basé sur les expériences passées accumulées.
Ce que cela signifie, expliquent les chercheurs, c'est que dans le premier cas, les souris ont utilisé leur mémoire de travail ou le type de mémoire à court terme qui conduit à une prise de décision adaptative basée sur l'expérience immédiate.
Dans ce dernier cas, cependant, les animaux ont utilisé leur mémoire à long terme, accédant à des connaissances déjà stockées qui avaient été construites au fil du temps.
La sérotonine rend l'apprentissage plus efficace
En utilisant l'optogénétique - une technique qui utilise la lumière pour manipuler les molécules dans les cellules vivantes - les chercheurs du CCU ont stimulé les cellules productrices de sérotonine dans le cerveau des souris pour voir comment des niveaux élevés de ce neurotransmetteur pourraient affecter le comportement des animaux dans la tâche d'apprentissage.
Lorsqu'ils ont analysé les données accumulées, en tenant compte des intervalles de temps d'attente entre les essais des souris, ils ont conclu que des niveaux de sérotonine plus élevés amplifiaient l'efficacité avec laquelle les animaux avaient appris des expériences précédentes. Cependant, cela ne s'appliquait qu'aux choix faits après des intervalles d'attente plus longs.
«La sérotonine améliore toujours l'apprentissage de la récompense, mais cet effet n'est apparent que sur un sous-ensemble des choix des animaux», note le co-auteur de l'étude Masayoshi Murakami, du CCU.
«Dans la plupart des essais», ajoute le chercheur de l’UCL Kiyohito Iigaya, «le choix était motivé par un« système rapide », où les animaux suivaient une stratégie de changement gagnant-rester-perdant. Mais sur un petit nombre d’essais, nous avons constaté que cette stratégie simple n’expliquait pas du tout les choix des animaux. »
«Lors de ces essais», dit-il, «nous avons plutôt constaté que les animaux suivaient leur« système lent », dans lequel c’était l’historique des récompenses au cours de nombreux essais, et pas seulement les essais les plus récents, qui affectait leurs choix.»
"De plus," ajoute Iigaya, "la sérotonine n'affectait que ces derniers choix, dans lesquels l'animal suivait le système lent."
Liens avec l'humeur et le comportement
Les auteurs pensent également que les résultats peuvent expliquer pourquoi les inhibiteurs sélectifs de la recapture de la sérotonine (ISRS) - un type de médicament qui augmente les niveaux de sérotonine et qui est utilisé dans le traitement de la dépression - sont plus efficaces lorsqu'ils sont utilisés en association avec la thérapie cognitivo-comportementale (TCC).
Alors que les ISRS s'attaquent à la dépression en s'attaquant aux déséquilibres chimiques dans le cerveau, l'objectif de la TCC est de modifier les réponses comportementales pour améliorer les symptômes de la dépression.
«Nos résultats suggèrent que la sérotonine stimule la plasticité [du cerveau] en influençant le taux d'apprentissage», écrivent les auteurs de l'étude dans la conclusion de leur article publié.
Ils ajoutent: «Cela résonne, par exemple, avec le fait que le traitement avec un ISRS peut être plus efficace lorsqu'il est combiné avec ce que l'on appelle la thérapie cognitivo-comportementale, qui encourage la rupture des habitudes chez les patients.
