Functional and structural brain adaptations to changing and uncertain environments in humans
Adaptations fonctionnelles et structurelles du cerveau aux environnements changeants et incertains chez l'homme
par Margaux ROMAND-MONNIER sous la direction de Étienne KOECHLIN
Thèse de doctorat en Sciences du comportement et neurosciences cognitives
ED 474 Frontières de l'Innovation en Recherche et Education

Soutenue le jeudi 21 novembre 2019 à Université Paris Cité

Sujets
  • Adaptation (psychologie)
  • Humains
  • Imagerie par résonance magnétique
  • Imagerie par résonance magnétique
  • Neurosciences cognitives
  • Neurosciences cognitives
  • Plasticité neuronale
  • Plasticité neuronale
  • Statistique bayésienne
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Description en français
Mots clés
Inférence bayésienne, Plasticité cérébrale
Resumé
Dans cette thèse, nous abordons les adaptations cérébrales aux environnements incertains et changeants à deux échelles de temps différentes. Tout d'abord, nous étudions les modulations fonctionnelles cérébrales, rapides et à court terme, qui permettent un comportement décisionnel adaptatif en réponse à des changements soudains de l'environnement. Dans une tâche de bandit à deux bras comprenant différents niveaux de volatilité, nous montrons qu'un modèle d'inférence simple supposant des contingences externes stables mais corrompu par des imprécisions de calcul, imprécisions suivant la loi psychophysique de Weber, est virtuellement aussi performant que le processus d'adaptation bayésien optimal qui fait l'inférence de la volatilité de l'environnement. Nous établissons également que ce modèle de bruit d'inférence rend mieux compte du comportement humain dans les environnements changeants que le modèle bayésien optimal. Enfin, les analyses IRMf basées sur ces modèles mathématiques révèlent que les activations du cortex cingulaire antérieur (ACC), précédemment associées à la volatilité inférée par le modèle bayésien optimal, reflètent plutôt le bruit d'inférence. Nos résultats suggèrent que la capacité de l'homme à s'adapter à un environnement changeant provient en partie d'un bruit inférentiel ayant une structure de Weber plutôt que d'une inférence probabiliste complexe de la volatilité de l'environnement. Dans la deuxième partie de ce travail, nous étudions comment des adaptations structurelles lentes et durables du cerveau, connu sous le terme de plasticité cérébrale, accompagnent l'adaptation comportementale à des environnements nouveaux et incertains à l'échelle de plusieurs semaines. Pour étudier ce problème, des IRM structurelles cérébrales ont été réalisées chez un sujet âgé de 44 ans, qui a quitté son environnement de vie habituel pour réaliser quatre expéditions d'une durée d'un mois chacune dans des conditions environnementales extrêmement rudes et éprouvantes. Le défi physique découlait de la progression dans des températures et degrés d'humidité extrêmes. En outre, le sujet a été confronté à de grands défis émotionnels et sociaux résultant de l'isolement social complet lors de chaque expédition. La comparaison d'images structurelles acquises avant et après les expéditions à l'aide d'une analyse de morphométrie à base de voxels (VBM) a révélé des changements significatifs de densité de matière grise dans des régions connues pour être impliquées dans les fonctions motrices, la perception, la cognition supérieure et la cognition sociale. Les résultats longitudinaux de cette étude de cas montrent que les adaptations structurelles du cerveau vont au-delà de la plasticité cérébrale bien connue et caractérisée associée à l'apprentissage, en révélant les changements cérébraux en réponse à des exigences environnementales plutôt qu'aux tâches. Cela suggère que la plasticité cérébrale peut se produire lorsque l'environnement sur- ou sous-sollicite des fonctions spécifiques, au-delà de la répétition de tâches spécifiques. Ces résultats découlent de l'étude d'un seul sujet, il reste à déterminer si cette plasticité structurelle se généralise à la population générale. En conclusion, au cours de cette thèse, nous montrons comment le cerveau humain possède une remarquable capacité d'adaptation, et cela à différentes échelles de temps, permettant aux individus de s'adapter à un très large éventail d'environnements et de défis cognitifs. Sur une courte période, le cerveau a la capacité fonctionnelle de gérer l'incertitude liée à la structure temporelle de l'environnement afin d'optimiser le comportement décisionnel. Sur une période plus longue, il a la propriété d'adapter sa structure aux exigences de l'environnement.