Une introduction aux neurosciences comportementales

An Introduction to Behavioral Neuroscience

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Neuroscience

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An Introduction to Behavioral Neuroscience

1.6: Histological Staining of Neural Tissue

1.15: An Introduction to Developmental Neurobiology

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08:45 min

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April 30, 2023

Overview

La neuroscience comportementale est l’étude de comment le système nerveux gouverne le comportement, et comment les différentes zones fonctionnelles et réseaux à l’intérieur du cerveau sont corrélés avec des comportements spécifiques ainsi que des états pathologiques. Les chercheurs dans ce domaine utilisent un large panel de méthodes expérimentales depuis des techniques complexes d’apprentissage appliquées à l’animal jusqu’à des expériences d’imagerie de pointe sur des sujets humains.

Cette vidéo commence par une vue d’ensemble historique des principales découvertes qui ont mené à notre compréhension actuelle du contrôle exercé par le cerveau sur le comportement. Ensuite, certaines des questions fondamentales posées par les neuroscientifiques du comportement sont abordées, qui impliquent toutes l’étude des corrélats neuraux, ou des régions spécifiques du cerveau dont l’activation est responsable d’une fonction donnée. Ensuite, les principales méthodes utilisées pour répondre à ces questions chez l’homme et chez l’animal sont passées en revue, comme le conditionnement opérant et la neuroimagerie fonctionnelle. Enfin, les utilisations expérimentales de ces techniques sont présentées, comme l’apprentissage animal au moyen d’une boite de Skinner, et l’utilisation de l’électroencéphalographie pour étudier les maladies neurologiques humaines.

Procedure

La neuroscience comportementale étudie la façon dont le système nerveux influence le comportement chez l’homme et l’animal. Les chercheurs de cette discipline utilisent diverse méthodes, allant des techniques d’apprentissage pour animaux à des expériences d’imagerie cérébrales, pour étudier comment les régions fonctionnelles et les connections du cerveau sont liées a des comportements spécifiques et des maladies apparentées. Cette vidéo montre un bref historique de la neuroscience comportementale, les questions clés des chercheurs de ce domaine, les principales méthodes utilisées pour répondre à ces questions et fournit un coup d’œil aux types d’expériences utilisées aujourd’hui dans les labos.

Commençons par un recapitulatif de quelques étapes majeures de l’histoire de la neuroscience comportementale. Dans la Grèce antique, Hippocrate et ses disciples furent les premiers à croire que le cerveau contrôle les pensées humaines. Ensuite, en 1662, René Descartes a développé un des premiers modèles pour décrire comment le cerveau contrôle le comportement – il suggéra que l’âme contrôle le corps grâce à la glande pinéale.

Les siècles suivant produisirent de nombreuses preuves montrant que Descartes avait tort. Par exemple, en 1848, un conducteur de train, Phineas Gage, eut un accident dans lequel une tige de métal lui transperça le crâne. Bien que vivant, il montra un fort changement de personnalité, prouvant ainsi qu’un dommage du lobe frontal a un impact profond sur le comportement. Ensuite, à la fin du 19ème siècle, Paul Broca et Carl Wernicke étudièrent des patients ayant perdu leur capacité à lire et/ou parler, et découvrirent des régions du cerveau impliquées dans le langage, maintenant connues comme les aires de Broca et Wernicke.

Plus tard, en 1890, William James proclama que la psychologie devrait être étudiée par la biologie, et de nombreuses découvertes majeures sur les modifications du comportement s’en suivirent. Dans les années 1930, en se basant sur l’opinion de James, BF Skinner développa un appareil appelé la boite de Skinner, toujours utilisée pour étudier comment punitions et récompenses renforcent le comportement chez l’animal.

A la fin du 20ème siècle, les techniques de neuroimagerie devinrent accessibles, comme l’imagerie à résonnance magnétique ou IRM. En 1990, Seiji Ogawa développa la méthode, maintenant utilisée pour l’IRM fonctionnelle, qui révolutionna le domaine de la neuroscience en permettant aux chercheurs de visualiser l’activité du cerveau au cours du temps pendant des tâches cognitives simples.

Maintenant que nous avons discuté des évènements majeurs de l’histoire de la neuroscience comportementale, voyons quelques questions fondamentales posées par les gens de la neurobiologie du comportement aujourd’hui. Toutes ces questions impliquent l’étude des corrélats neuraux, ou les régions spécifiques du cerveau dont l’activation est responsable d’une fonction donnée.

Par exemple, un scientifique intéressé par le contrôle du mouvement par le système nerveux, doit étudier les mécanismes qui contrôlent l’équilibre et la coordination. Bien qu’il ait été établit que ces fonctions correspondent au cortex moteur primaire, au cortex pré-moteur, au cervelet et a la substance noire, les scientifiques étudient toujours comment les circuits au sein et entre chaque région permettent la locomotion.

D’autre part, les chercheurs peuvent aussi étudier comment le système nerveux évalue les stimuli et module le comportement en fonction de ceux-ci. Ici, ils peuvent se demander quelles conséquences ont les différents types de récompenses sur le comportement des animaux. La compréhension de quand et de pourquoi certaines récompenses sont motivantes pourrait nous aider à traiter des troubles comme l’addiction.

Les corrélats neuraux de la motivation et de la récompense sont le système limbique et l’aire tegmentale ventrale.

D’autres neuroscientifiques du comportement étudient comment le système nerveux permet l’apprentissage et la formation de la mémoire. Par exemple, certains étudient comment le cerveau crée et conserve des souvenirs liés à des stimuli effrayants, ce qui est important pour le traitement des troubles de stress post-traumatique. Ces fonctions correspondent généralement à l’hippocampe et l’amygdale.

D’autres questions clés se concentrent sur les processus cognitifs plus complexes, tels que la reconnaissance faciale. Ici, un chercheur peut enquêter sur la façon dont un sujet réagit à des visages familiers par rapport a des visages inconnus.

Chez l’homme, un corrélat neural spécifique pour la reconnaissance faciale est la zone du visage fusiforme dans le gyrus fusiforme.

Maintenant que nous avons parcouru quelques unes des grandes questions posées par les neuroscientifiques comportementaux, plongeons dans certaines méthodes importantes utilisées tout en essayant de répondre à ces questions. Beaucoup d’approches dans ce domaine impliquent des expériences comportementales chez les animaux, faites après manipulation de certaines régions du cerveau, afin d’étudier le lien entre la neurobiologie et le comportement.

Des processus comme la locomotion peuvent être étudiés chez l’animal à l’aide de matériel spécialisé, tels que la tige tournante, qui est une tige rotative obligeant l’animal à se déplacer continuellement pour éviter la chute, ou des chambres qui nécessitent que l’animal atteigne sa nourriture pour tester la dextérité.

Les méthodes basées sur la modification du comportement incluent le conditionnement opérant, et peuvent utiliser la boîte de Skinner pour les expériences d’auto-administration impliquant des stimuli de récompenses ou de répulsions, tels que la nourriture ou les médicaments.

Les méthodes pour étudier l’apprentissage et la mémoire utilisent souvent des labyrinthes, tels que les motifs en bras du T ou la piscine de Morris, dans lesquels les animaux doivent trouver, puis se souvenir, du chemin pour sortir du labyrinthe.

Plus les comportements étudiés sont complexes et plus le besoin en sujets humains grandit. Par exemple, l’étude des processus cognitifs complexes, comme le langage, peuvent impliquer des méthodes permettant de mesurer l’activité neurale à travers le cuir chevelu, comme l’electroencéphalographie, qui peut être appliquée pendant que le sujet effectue une tâche cognitive spécifique.

Les méthodes d’imagerie fonctionnelle tels que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ou IRMf sont également utilisées pour étudier la cognition humaine. Cette méthode mesure un signal, qui correspond au flux sanguin, et peut être lié à l’activation neuronale suite à une tâche, ce qui permet d’obtenir une carte statistique des régions du cerveau actives.

Maintenant que nous avons vu certaines méthodes essentielles en neuroscience comportementale, regardons quelques applications de ces techniques. Dans cette expérience, une souris apprend qu’appuyer de façon répétée sur un levier dans une boîte de Skinner résultera en une récompense alimentaire. L’animal est ensuite traité avec des substances neuroactives, comme l’hormone leptine, afin d’évaluer comment les changements résultant dans l’activité du cerveau influencent la motivation à obtenir de la nourriture.

Chez l’homme, l’IRM fonctionnelle est souvent utilisée pour étudier les processus cognitifs complexes comme la prise de décision. Dans cette étude, les participants doivent décider pendant l’IRMf si un motif de points bouge rapidement ou lentement

L’électroencéphalographie, ou EEG, est une technique non invasive qui peut être utilisée pour étudier des états pathologiques comme la démence et la maladie d’Alzheimer. Pour ces expériences, les participants portent des électrodes non invasives sur le cuir chevelu qui mesurent l’activité électrique du cerveau pendant qu’une fonction est accomplie. Les analyses peuvent montrer des profils anormaux corrélés avec des maladies neurologiques ou psychiatriques.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la neuroscience comportementale. Nous avons vu un bref historique de ce domaine de recherche, quelques unes de ces questions clés, présenté des méthodes importantes utilisées pour répondre à ces questions et examiné quelques utilisations spécifiques de ces méthodes. Merci de nous avoir regardés!

Transcript

Behavioral neuroscience is the study of how the nervous system guides behavior in humans and animals. Researchers in this field utilize a variety of methods, from animal training techniques to neuroimaging experiments, to study how the functional areas and networks of the brain correlate to specific behaviors and related disease states.

This video will review a brief history of behavioral neuroscience, go over the key questions asked by investigators in this field, review some of the prominent methods used to answer those questions, and provide a glimpse into the types of experiments performed in behavioral neuroscience labs today.

Let’s begin with an overview of some of the major milestones in the history of behavioral neuroscience. In ancient Greece, Hippocrates and his followers were among the first to believe that the brain controlled human thought.

Then, in 1662, René Descartes developed one of the first models to describe how the brain controls behavior – he speculated that the soul controlled the body through the pineal gland.

The next few centuries produced a lot of evidence that Descartes was wrong. For example, in 1848, railroad foreman Phineas Gage was involved in an accident that drove an iron rod through his skull. He lived, but exhibited severe personality changes, demonstrating that damage to the frontal lobe has a profound impact on behavior.

Then, in the late 19th century, Paul Broca and Carl Wernicke studied patients who had lost their ability to read and/or speak, and discovered areas of the brain responsible for language, now known as the Broca and Wernicke areas.

Later, in 1890, William James declared that psychology should be studied via biology, and many major discoveries in behavioral modification followed. In the 1930’s, following James’ advice, BF Skinner developed an apparatus called the Skinner box, which is still used to study how punishment and reward can reinforce behavior in animals.

Then, in the late 1900’s, advanced neuroimaging techniques became available, such as magnetic resonance imaging, or MRI. In 1990, Seiji Ogawa developed the method now used for functional MRI, which revolutionized the field of neuroscience by allowing researchers to visualize brain activity over time during simple cognitive tasks.

Now that we’ve discussed some of the major events in the history of behavioral neuroscience, let’s review some of the fundamental questions asked by the folks who neurobiology of behavior today. These questions all involve the study of neural correlates, or specific brain regions whose activation is responsible for a given function.

For example, a scientist interested in nervous system control of movement might investigate the mechanisms that control balance and coordination. Although it has been established that these functions map to the primary motor cortex, premotor cortex, cerebellum, and the substantia nigra, scientists are still investigating how the circuitry within and between each region enables locomotion.

Alternatively, researchers may investigate how the nervous system evaluates stimuli and guides behavior based on these stimuli. Here, researchers may ask how different types of reward can impact animal behavior. Understanding when and why certain rewards are motivating could help us address problems like addiction. Neural correlates for motivation and reward are the limbic system and the ventral tegmental area.

Other behavioral neuroscientists study how the nervous system allows for learning and memory formation. For example, one may investigate how the brain creates and retains memories related to fearful stimuli, which is important for the treatment of post-traumatic stress disorders. These functions generally map to the hippocampus and the amygdala.

Additional key questions focus on higher cognitive processes, such as facial recognition. Here, a researcher may investigate how a subject responds to familiar versus novel faces. In humans, a neural correlate specific for face recognition is the fusiform face area in the fusiform gyrus.

Now that we’ve gone through a few of the major questions asked by behavioral neuroscientists, let’s delve into some of the prominent methods used when trying to answer them. Many approaches in this field involve behavioral experiments in animals, which are performed after manipulating certain brain regions, in order to study the link between neurobiology and behavior.

Processes such as locomotion can be studied in animals using specialized equipment such as the rotarod, which is a rotating rod that requires the animal to move continually to avoid falling off, or chambers that require the animal to reach for food to test dexterity.

Methods involving behavioral modification include operant conditioning, and may utilize the Skinner box for self-administration experiments involving rewarding or aversive stimuli, such as food or drugs.

Methods to investigate learning and memory often utilize mazes, such as T-arm or Morris water maze designs, in which animals have to find, and then remember, the path to exit the apparatus.

As the complexity of the behavior under investigation increases, so does the need for human subjects. For example, studying higher cognitive processes, like language, may involve methods that measure neural activity through the scalp, such as electroencephalography, which can be applied as a subject performs a specific cognitive task.

Functional imaging methods are also used to study human cognition, such as Functional Magnetic Resonance Imaging or fMRI. This method measures a signal, which is correlated to blood flow, and can in turn be linked to task based neuronal activation thereby resulting in a statistical map of active brain regions.

Now that we’ve gone over some of the prominent methods in behavioral neuroscience, let’s have a look at some applications of those techniques.

In this experiment, a mouse is taught that repeatedly pressing a lever in a Skinner box will result in a food reward. The animal is then treated with neuroactive substances, like the hormone leptin, to assess how the resulting changes in brain activity influence the motivation to obtain food.

In humans, functional MRI is often used to study higher cognitive processes such as decision-making. In this study, participants were asked to decide if a pattern of dots is moving quickly or slowly during an fMRI scan.

Electroencephalography, or EEG, is a non-invasive technique that can be used to study disease states, such as dementia and Alzheimer’s disease. For these experiments, participants wear non-invasive electrodes on the scalp that measure the brain’s electrical activity as a function is performed. Analysis may reveal abnormal patterns correlated with neurologic or psychiatric diseases.

You’ve just watched JoVE’s introduction to behavioral neuroscience. We’ve reviewed a brief history of this field of study, went over some if its key questions, discussed some prominent methods used to answer those questions, and examined some specific application of those methods.

Thanks for watching!