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Comment le cerveau recherche le plaisir et évite la douleur
La neuroscientifique Kay Tye s'attaque à la base physique des émotions et du comportement. 27 juin 2017
josué mathews
Enfant, Kay Tye était plongée dans une vie scientifique. J'ai grandi dans le laboratoire de ma mère, dit-elle. À l'âge de cinq ou six ans, elle gagnait 25 cents la boîte pour réapprovisionner les pointes de pipette commandées en gros dans des boîtes pour la stérilisation alors que sa mère, biochimiste de renom à l'Université Cornell, sondait la génétique de la levure. (Le père de Tye est un physicien théoricien connu pour ses travaux sur l'inflation cosmique et la théorie des supercordes.)
Aujourd'hui, Tye dirige son propre laboratoire de neurosciences au MIT. Sous de grandes lumières noires rappelant une séance photo de mode, elle et son équipe de l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire peuvent observer le comportement des souris lorsque des circuits cérébraux particuliers sont activés ou désactivés. À proximité, ils peuvent enregistrer l'activité neuronale des souris lorsque les animaux se déplacent vers un stimulus particulier, comme de l'eau sucrée, ou s'éloignent s'ils traversent un sol qui délivre de légers chocs électriques. Ailleurs, ils créent des tranches de cerveau à tester in vitro, car ces échantillons conservent leur activité physiologique, même en dehors du corps, jusqu'à huit heures.
Tye a été à l'avant-garde des efforts visant à identifier les sources d'anxiété et d'autres émotions dans le cerveau en analysant comment des groupes de neurones travaillent ensemble dans des circuits pour traiter l'information. En particulier, son travail a contribué à un changement profond dans la compréhension des chercheurs de l'amygdale, une zone du cerveau qui a été considérée comme centrale pour les réactions de peur : elle a découvert que la signalisation dans l'amygdale peut en fait réduire l'anxiété ainsi qu'augmenter ce. Pour acquérir de telles connaissances, elle a également fait des progrès cruciaux dans une technique, appelée optogénétique, qui permet aux chercheurs d'activer ou de supprimer des circuits neuronaux particuliers chez les animaux de laboratoire en utilisant la lumière. L'optogénétique a été développée par le neuroscientifique et psychiatre de Stanford, Karl Deisseroth, et elle a représenté une percée dans les efforts visant à déterminer le rôle de parties spécifiques du cerveau. Alors que Tye travaillait dans son laboratoire en tant que postdoc, elle a démontré, pour la première fois, qu'il était possible d'identifier et de contrôler des groupes spécifiques de neurones qui envoyaient des signaux à des neurones cibles spécifiques.
Cette approche fine est importante car les médicaments qui traitent des conditions telles que l'anxiété ne ciblent actuellement pas de circuits spécifiques, et encore moins des neurones individuels ; au contraire, ils opèrent dans tout le cerveau, ce qui entraîne souvent des effets secondaires indésirables. La recherche de Tye pourrait éventuellement aider à ouvrir la porte à des médicaments qui n'affectent que des circuits neuronaux spécifiques, réduisant l'anxiété avec moins d'effets secondaires.
Un tel travail a reçu des distinctions officielles, notamment un prix présidentiel de début de carrière pour les scientifiques et les ingénieurs du président Obama, un prix Freedman pour les neurosciences et un prix TR35, récompensant des chercheurs exceptionnels de moins de 35 ans. son domaine qui admirent l'ampleur créative de son ambition. Elle n'a pas peur de poser les questions les plus fondamentales, celles que la plupart des autres scientifiques évitent, déclare Sheena Josselyn de l'Université de Toronto et de l'Institut de recherche de l'Hôpital pour enfants malades.
Les questions qu'elle aborde impliquent des émotions et des phénomènes qui occupent une place importante dans l'expérience humaine, tels que la recherche de récompense, la solitude et la suralimentation compulsive. Son objectif est de comprendre leur base neurale - pour combler le fossé entre le cerveau, tel que compris par les neuroscientifiques, et l'esprit, tel que conçu de manière plus large par les psychiatres, les psychologues et d'autres étudiants du comportement humain.
Romancière en herbe
Bien qu'il puisse sembler que Tye est née pour être scientifique, elle dit que son choix de carrière était tout sauf inévitable. Au lycée, elle était ambivalente à propos de la science et gravitait plutôt vers l'écriture; elle a écrit des pièces de théâtre, des nouvelles et de la poésie. Dans ma tête, j'allais être romancière, se souvient-elle.
Pourtant, tout en postulant à l'université, elle a inclus le MIT sur sa liste, en partie pour faire plaisir à ses parents, Bik-Kwoon Tye et Henry Tye, qui y avaient tous deux obtenu un doctorat en 1974. Et quand elle a reçu une lettre d'acceptation, son père l'a trouvée. difficile de dissimuler ses sentiments alors que ses yeux se remplissaient de larmes. Je n'avais jamais vu mon père pleurer de ma vie, dit-elle. Elle a décidé qu'elle devait donner à l'apprentissage scientifique un essai plus dévoué. Elle s'est également convaincue (avec l'encouragement de ses parents) que se concentrer sur le monde naturel lui donnerait plus à écrire sur la route.
En première année au MIT, Tye a rejoint le laboratoire de Suzanne Corkin, qui travaillait avec H.M., l'un des patients les plus célèbres de l'histoire des neurosciences. H.M., dont le nom s'est révélé être Henry Molaison à sa mort en 2008, souffrait d'amnésie profonde après une lobotomie pour traiter des convulsions ; étudier son état a permis aux chercheurs de sonder les fondements neuronaux de la mémoire. L'un des rôles de Tye dans le groupe était de faire de H.M. un sandwich au beurre de cacahuète et à la gelée pour le déjeuner. Il le mangeait puis, quelques instants plus tard, les miettes toujours sur le visage, demandait : Avons-nous déjà déjeuné ?
Les chercheurs dépannent les boîtes comportementales dans lesquelles les souris apprennent à former des associations positives et négatives avec les sons.
Cela m'a fait comprendre que ces fonctions de base, comme la mémoire, qui sont si essentielles à qui nous sommes, ont des substrats biologiques dans le cerveau, dit-elle. Les neurosciences peuvent être intimidantes et remplies de jargon, ajoute-t-elle. Mais l'expérience avec H.M., ainsi qu'un cours d'introduction à la psychologie inspirant enseigné par Steven Pinker, ont valu la peine de parcourir les nuits blanches pour comprendre les mécanismes biologiques derrière les constructions psychologiques.
Pourtant, après l'obtention de son diplôme, Tye voulait s'assurer qu'elle regardait autour d'elle, pensant à qui elle était et à qui elle voulait être. Elle a donc passé un an en sac à dos en Australie, où elle a travaillé dans une ferme, vécu dans un ashram de yoga, enseigné le yoga, campé sur la plage et travaillé sur un roman. Elle a trouvé que l'écriture était difficile et solitaire. Elle aimait enseigner le yoga mais ne le considérait pas comme un cheminement de carrière satisfaisant.
Je suis sortie de cette année étonnamment prête à aller à l'école doctorale, dit-elle. Se replongeant dans le monde universitaire, elle a d'abord eu du mal à trouver un laboratoire qui l'accepterait et a failli abandonner après sa première année. Mais elle a trouvé un mentor en Patricia Janak, qui est devenue sa conseillère et a obtenu un doctorat en neurosciences à l'Université de Californie à San Francisco en 2008.
Une surprise dans l'amygdale
En 2009, Tye a rejoint le laboratoire de Deisseroth à Stanford. Deisseroth avait déjà développé l'optogénétique, qui a donné aux chercheurs un moyen beaucoup plus précis d'identifier les contributions des neurones individuels au sein d'un circuit. Avec d'autres dans le laboratoire, Tye a utilisé l'optogénétique pour sonder la connexion entre deux parties de l'amygdale, une région en forme d'amande qui est cruciale pour l'anxiété et la peur. Elle a d'abord identifié des neurones dans une zone (connue sous le nom d'amygdale basolatérale) qui formaient des connexions avec des neurones dans une autre zone amygdalienne (connue sous le nom de noyau central) en envoyant des projections de fibres nerveuses. Lorsqu'elle a stimulé ces neurones de l'amygdale basolatérale, elle a pu réduire l'anxiété chez la souris. Autrement dit, elle pourrait amener les animaux à passer plus de temps dans des espaces ouverts et moins de temps à se recroqueviller sur le côté. C'était surprenant, car lorsque les chercheurs ont stimulé l'amygdale dans son ensemble, le comportement des souris est devenu plus anxieux.
Au début, tout le monde a demandé : êtes-vous sûr d'utiliser l'outil correctement ? Que se passe-t-il? se souvient-elle. Mais après une validation méticuleuse, en 2011, Tye et le groupe publient leurs résultats dans La nature , montrant que certains circuits de l'amygdale aident à calmer les animaux. Cet article a également représenté une percée dans la technique optogénétique. Pour la première fois, les chercheurs ont pu cibler et manipuler une partie spécifique d'un circuit cérébral : des groupes particuliers de neurones communiquant avec des neurones cibles connus. La technique, connue sous le nom de manipulation optogénétique spécifique à la projection, est désormais considérée comme l'un des outils clés des neurosciences.
En 2012, Tye est arrivée au MIT en tant que professeure adjointe de sciences du cerveau et cognitives au Picower, poursuivant ses travaux sur l'anxiété. Lors de la mise en place de son laboratoire, elle a ciblé les neurones de l'amygdale qui semblaient avoir l'effet inverse sur l'anxiété de la souris, la faisant augmenter. Ces cellules cérébrales sont également situées dans l'amygdale basolatérale, mais elles envoient des projections vers une région voisine connue sous le nom d'hippocampe ventral. Lorsque Tye a stimulé ce circuit en utilisant l'optogénétique, les souris ont évité les espaces ouverts, souffrant apparemment d'anxiété. (Lorsqu'elle a empêché les connexions de se former, les animaux ont de nouveau traîné à l'air libre, leur anxiété apparemment atténuée.) Tye a proposé que les neurones voisins de l'amygdale puissent avoir des effets opposés sur le comportement des animaux, en fonction des cibles auxquelles ils envoient des signaux. .
Les étudiants diplômés du laboratoire Tye Chris Leppla et Caitlin Vander Weele et les post-doctorants Praneeth Namburi et Stephen Allsop.
Menaces et récompenses
À l'époque, la plupart des chercheurs étudiant l'amygdale avaient encore tendance à se concentrer principalement sur son rôle dans la peur. Pourtant, Tye soupçonnait que l'activité dans cette partie du cerveau pouvait coder un stimulus comme gratifiant ou menaçant, bon ou mauvais, aidant les individus à décider comment réagir. Il existe de nombreux stimuli que nous rencontrons dans notre vie quotidienne qui sont ambigus, explique Conor Liston du Brain and Mind Research Institute de Weill Cornell. Une interaction sociale, par exemple, peut être soit menaçante, soit gratifiante, et nous avons besoin de circuits cérébraux consacrés à différencier qui est quoi.
En examinant la force relative des courants traversant deux récepteurs du glutamate connus pour indiquer la force synaptique, Tye a découvert que différentes connexions neuronales chez la souris étaient renforcées selon qu'un stimulus particulier était lié à une récompense ou à une menace. Lorsque les souris ont appris à associer un son à une friandise de sucre, elle a trouvé une entrée synaptique plus forte dans les neurones de l'amygdale basolatérale qui envoyaient des informations au noyau accumbens, qui fait partie du circuit de récompense du cerveau. D'autre part, lorsque les souris ont appris à associer le son à de légers chocs électriques sur leurs pieds, les signaux d'entrée se sont renforcés dans les circuits menant de l'amygdale basolatérale à l'amygdale centromédiale, qui est impliquée dans la douleur et la peur. De plus, elle a démontré un compromis : lorsque l'un de ces circuits devenait plus actif, l'autre le devenait moins. En d'autres termes, elle avait découvert comment le cerveau encode les informations qui permettent aux souris de différencier les stimuli gratifiants de ceux potentiellement nocifs. Les résultats ont été publiés dans La nature en 2015.
Dans des travaux récents, Tye a également sondé les circuits impliqués dans la prise de décisions en une fraction de seconde lorsque des signaux menaçants et gratifiants sont présents en même temps. Elle et son équipe se sont concentrées cette fois sur les connexions entre l'amygdale et le cortex préfrontal, une zone responsable de la pensée d'ordre supérieur. (Plus précisément, ils ont examiné les interactions entre l'amygdale basolatérale et le cortex préfrontal médial prélimbique.) En utilisant l'optogénétique et d'autres techniques, ils ont montré que ce circuit était actif lorsque les animaux étaient simultanément exposés à une friandise potentielle au sucre et à un choc électrique potentiel et devaient prendre une décision sur la façon de se comporter. Ses résultats, parus en avril dans Neurosciences naturelles , aident à éclairer la façon dont les animaux savent quoi faire face à des signaux complexes et parfois contradictoires.
L'étudiante diplômée Caitlin Vander Weele examine des images agrandies de tranches de cerveau pour vérifier qu'un capteur de calcium cible un type spécifique de neurone.
Envies et compulsions
En tant qu'étudiante diplômée, Tye avait travaillé avec des chercheurs axés sur la toxicomanie, mais elle s'intéressait davantage aux récompenses naturelles, comme le sucre, qu'aux substances régulièrement consommées. En 2012, le maire de New York, Michael Bloomberg, a annoncé un plan visant à limiter la taille des portions de sodas vendus dans les cinémas, les stades et les fast-foods. Tye s'est retrouvée à se demander exactement ce qui, au niveau du cerveau, pousse les gens à avoir envie de friandises sucrées, au-delà de la volonté normale de satisfaire la faim.
Elle a donc fouillé dans les circuits neuronaux. Dans un article publié en 2015 dans Cellule , elle et son équipe se sont concentrées sur les neurones de l'hypothalamus latéral (LH), une zone cérébrale impliquée dans des pulsions telles que la faim, et ont étudié leurs projections dans une autre région, appelée aire tegmentale ventrale (VTA), connue pour jouer un rôle à la fois dans la motivation et la dépendance. En utilisant l'optogénétique, elle et son équipe ont montré que l'activation de connexions LH-VTA spécifiques poussait les souris à se gaver de sucre, tandis que leur désactivation réduisait la suralimentation compulsive.
Sur son bureau, Tye charge une démonstration vidéo mettant en scène une souris avec un câble de transmission de lumière attaché à son cerveau. La vidéo montre la souris se déplaçant, d'abord avec désinvolture. Ensuite, lorsque la lumière laser est allumée pour activer des neurones spécifiques dans le circuit LH-VTA, l'animal devient frénétique, courant et léchant le sol. Peu de temps après, il porte ses pattes vides à sa bouche et fait une pantomime de dégustation et de grignotage. Il s'engage dans cette séquence motrice compliquée et fait semblant de manger, ce qui est fou car il n'y a pas de nourriture, dit Tye. En d'autres termes, allumer le circuit amène l'animal à se comporter de manière compulsive. Le désactiver a l'effet inverse.
Mais surtout, bien que la désactivation de ce circuit prévienne les comportements compulsifs, cela n'affecte pas l'alimentation normale. Autrement dit, il est possible de définir une différence basée sur le cerveau entre au moins certaines pulsions saines et malsaines à manger. Cela suggère qu'il pourrait être possible de développer des médicaments ciblés ou même une forme de biofeedback qui pourraient un jour aider les gens à réduire les envies malsaines sans bloquer la faim ordinaire.
Une autre découverte récente, sur la solitude, est née par hasard d'un projet que la postdoc Gillian Matthews avait commencé en tant qu'étudiante diplômée à l'Imperial College de Londres avec Mark Ungless. Matthews a remarqué que les souris qui avaient été isolées pendant 24 heures au cours d'expériences affichaient une signalisation neuronale plus forte dans le noyau du raphé dorsal du cerveau, qui participe à la signalisation de la récompense - et recherchaient activement la compagnie d'autres souris. Après avoir déménagé dans le laboratoire de Tye au MIT, Matthews et Tye ont développé la théorie selon laquelle les animaux avaient soif d'interaction. Dans d'autres expériences, ils ont utilisé l'optogénétique pour désactiver la voie de signalisation dans le noyau du raphé dorsal. Les souris soumises à ce traitement ne semblaient pas rechercher d'interaction sociale supplémentaire après le temps par elles-mêmes.
En fin de compte, Tye espère qu'elle et son équipe pourront aborder des questions humaines fondamentales, comme pourquoi certaines personnes préfèrent passer plus de temps seules tandis que d'autres recherchent davantage de contacts sociaux.
Un laboratoire sans drame
Bien que le laboratoire de Tye s'intéresse aux origines de phénomènes tels que la peur et la contrainte, il se distingue par son propre manque de tension et de conflit. Stephen Allsop, un postdoctorant qui a travaillé avec elle pendant cinq ans (dont plusieurs en tant qu'étudiant diplômé), dit qu'elle met l'accent sur une collaboration étroite entre les membres de l'équipe et qu'elle supervise une culture optimiste et solidaire : c'est incroyable le peu de drame que nous avons en ce laboratoire.
En plus de l'intégrité scientifique, je fais de la culture positive, collaborative et ouverte de mon groupe de recherche - et du bonheur des individus qui en font partie - ma priorité absolue, déclare Tye. L'excellence scientifique vient juste après. De solides relations avec les professeurs et les mentors font partie de l'attrait de la science, ajoute-t-elle.
En effet, dit-elle, ils viennent après les liens entre parents et enfants. En 2013, Tye et son mari, Jim Wagner, un développeur de logiciels, ont eu une fille, Keeva, qui l'a déjà accompagnée lors de conférences à travers le monde. Leur fils, Jet, est né l'année dernière. Et les enfants ont trouvé une place dans son laboratoire, tout comme elle a trouvé un créneau dans celui de sa mère (bien qu'ils n'aient pas encore obtenu de postes rémunérés). Comme elle l'a dit La nature quand Keeva était encore un bébé : si ma fille doit tout à coup être récupérée, je l'amène à ma réunion de laboratoire ou je rencontre des gens pendant que je la fais rebondir. Si elle a un effondrement total, alors parfois je dois renflouer et faire un suivi plus tard.
Mais bien qu'elle puisse être facile à vivre en tant que parent et chef de laboratoire, Tye trouve beaucoup de drame dans les neurosciences elles-mêmes, et elle revient sans cesse à ses questions centrales parce qu'elles sont si attrayantes. Bien qu'elle dise qu'elle lit moins de romans maintenant qu'elle ne le faisait auparavant, elle semble toujours attirée par le genre de mystères qu'un écrivain pourrait sonder : pourquoi un héros part-il en voyage ? Pourquoi le bavardage dans sa tête tourne-t-il de travers et conduit-il à de sombres monologues ou à un auto-sabotage anxieux ? Comme une romancière, elle fait preuve d'une formidable ampleur créative. Il y a quelque chose de spécial dans la science, dit-elle. Votre nouveau travail est basé sur ce que vous faisiez auparavant. Et si vous avez de la chance, vous pouvez contribuer à façonner l'avenir.