Projet ANR-14-CE13-0006 – BRAINCHOICE : Mécanismes cérébraux sous-tendant les décisions sociales: enregistrements intracrâniens chez des patients épileptiques et études par IRMf chez l'Homme sain
Programme : Une nouvelle représentation du vivant (DS0401)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Jean-Claude Dreher (Centre de Neurosciences Cognitives (Equipe prise de décisions))
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 349500.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : Mécanismes cérébraux sous-tendant la prise de décision socialeBien que la prise de décision dans un contexte social soit omniprésente et centrale dans nos sociétés, ses mécanismes cérébraux restent mal compris. Le projet BRAINCHOICE développe une compréhension des principes neurocomputationnels sous-jacents à nos décisions sociales, liant bases neurophysiologiques et modèles probabilistes de nos choix.
Compréhension des bases neurobiologiques de la prise de décision sociale.Nos décisions sociales reposent non seulement sur la connaissance probabiliste des conséquences possibles de nos choix mais aussi sur nos inférences sur les croyances des intentions d’autrui. Ce projet BRAINCHOICE vise à une meilleure compréhension des bases neurobiologiques de la prise de décision sociale. Il développe un nouveau cadre théorique combinant modèles bayésiens et neuroimagerie multimodale utilisant les enregistrements intracrâniens (iEEG) chez des patients épileptiques et l'magerie par résonance magnétique fonctionnellle (IRMf) chez l’homme sain. L'objectif général est de caractériser les principes computationnels et les mécanismes neuronaux sous-jacents à la prise de décision sociale. Notre hypothèse principale est que lorsque nous sommes dans un contexte social interactif, notre cerveau effectue des inférences bayésiennes utilisant des représentations probabilistes des intentions d’autrui. Nous appliquons les approches mathématiques de l'inférence bayésienne pour modéliser la façon dont nous prédisons les intentions d’autrui et leurs caractères coopératif ou compétitif. A un niveau fondamental, les perspectives et les retombées du projet sont de fournir une compréhension à plusieurs niveaux d’observation, depuis l'architecture des réseaux cérébraux au niveau des populations neuronales et de caractériser la dynamique neuronale des structures cérébrales engagées dans les décisions sociales.
Approche intégrant modèles bayésiens et neuroimagerie multimodale (enregistrements intracrâniens chez patients épileptiques et IRMf chez l’homme sain)Les modèles bayésiens de la décision sociale sont testés par des expériences menées chez l’homme et qui exploitent au mieux les avantages de deux approches méthodologiques complémentaires:1) l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) chez l’homme sain utilisant un modèle bayésien des interactions sociales, qui devrait permettre de préciser les relations entre mécanismes neuronaux, comportements observables et les patterns d'activation cérébrale;2) l’enregistrement de l’activité de neurones individuels et de populations neuronales (potentiels de champs locaux : LFPs) et la combinaison simultanée de l’IRMf et l’iEEG chez des patients souffrant d'épilepsie. Cette approche est clé pour une description de la dynamique temporelle des populations de neurones engagées dans la décision sociale.Les circuits neuronaux de la prise de décision sociale comprennent le cortex préfrontal ventromédian (vmPFC), le cortex préfrontal dorsomédial (dmPFC), le sillon temporal supérieur (STS) et le gyrus cingulaire antérieur (ACCg). Enregistrant l’activité de ce cerveau dit social, les buts spécifiques de ce projet sont de:(1) dévoiler les mécanismes computationnels qui sous-tendent les processus cérébraux de la prise de décision sociale à partir de modèles POMDP expliquant comment notre cerveau effectue des inférences probabilistes dans des contextes sociaux;(2) Caractériser les mécanismes neuronaux impliqués dans les mécanismes d’inférences des intentions d’autrui;(3) Caractériser la dynamique neuronale des différentes composantes du cerveau social lors de l’apprentissage de hiérarchie sociale et lors de la présentation de visages ayant des traits plus ou moins dominants.(4) Lier les mécanismes computationnels de la cognition sociale (but 1) à l'activité neuronale et aux potentiels de champ locaux chez l'homme (buts 2&3).
Résumé de la soumission : Bien que la prise de décision dans un contexte social soit omniprésente et centrale dans nos sociétés, ses mécanismes cérébraux restent mal compris. Il est aujourd’hui nécessaire de développer une compréhension des principes neurocomputationnels sous-jacents à nos décisions sociales, liant bases neurophysiologiques et modèles probabilistes de nos choix. En particulier, le fait que nos décisions sociales reposent non seulement sur la connaissance probabiliste des conséquences possibles de nos choix mais aussi sur nos inférences sur les croyances des intentions d’autrui a été jusqu’à présent sous-estimé. Ce projet vise à une meilleure compréhension des bases neurobiologiques de la prise de décision sociale. Il développant un nouveau cadre théorique combinant modèles bayésiens et neuroimagerie multimodale utilisant les enregistrements intracrâniens (iEEG) chez des patients épileptiques et l'IRMf chez l’homme sain.L'objectif général est de caractériser les principes computationnels et les mécanismes neuronaux sous-jacents à la prise de décision sociale. Notre hypothèse principale est que lorsque nous sommes dans un contexte social interactif, notre cerveau effectue des inférences bayésiennes utilisant des représentations probabilistes des intentions d’autrui. Nous appliquerons les approches mathématiques de l'inférence bayésienne et des processus de décision de Markov partiellement observables (POMDP) pour modéliser la façon dont nous prédisons les intentions d’autrui et leurs caractères coopératif ou compétitif.Ce cadre théorique sera testé par des expériences menées en parallèle chez l’homme qui exploitent au mieux les avantages de deux approches méthodologiques complémentaires:1) l’IRMf chez l’homme sain utilisant un modèle bayésien des interactions sociales, qui devrait permettre de préciser les relations entre mécanismes neuronaux, comportements observables et les patterns d'activation cérébrale;2) l’enregistrement de l’activité de neurones individuels et de populations neuronales (potentiels de champs locaux : LFPs) et la combinaison simultanée de l’IRMf et l’iEEG chez des patients souffrant d'épilepsie. Cette approche est clé pour une description de la dynamique temporelle des populations de neurones engagées dans la décision sociale.Les circuits neuronaux de la prise de décision sociale comprennent le cortex préfrontal ventromédian (vmPFC), le cortex préfrontal dorsomédial (dmPFC), le sillon temporal supérieur (STS) et le gyrus cingulaire antérieur (ACCG). Enregistrant l’activité de ce cerveau social, les buts spécifiques de ce projet sont de:(1) dévoiler les mécanismes computationnels qui sous-tendent les processus cérébraux de la prise de décision sociale à partir de modèles POMDP expliquant comment notre cerveau effectue des inférences probabilistes dans des contextes sociaux;(2) Caractériser les mécanismes neuronaux impliqués dans les mécanismes d’inférences des intentions d’autrui;(3) Caractériser la dynamique neuronale des différentes composantes du cerveau social lors de l’apprentissage de hiérarchie sociale et lors de la présentation de visages ayant des traits plus ou moins dominants.(4) Lier les mécanismes computationnels de la cognition sociale (but 1) à l'activité neuronale et aux potentiels de champ locaux chez l'homme (buts 2&3).La nature novatrice de ce projet est: a) d’établir une base théorique permettent une description des inférences bayésiennes cérébrales et des mécanismes neurocomputationels sous-jacentes aux décisions sociales (algorithmes de calcul adoptées par le cerveau pour inférer les intentions d’autrui); b) de fournir une compréhension à plusieurs niveaux d’observation, depuis l'architecture des réseaux cérébraux au niveau des populations neuronales; c) de caractériser la dynamique neuronale des structures cérébrales engagées dans les décisions sociales.
Résultats : Nous avons enregistré directement les potentiels de champs locaux du cortex orbitofrontal de patients épileptiques grâce à des électrodes implantées. Nos résultats, publiés dans la prestigieuse revue britannique ‘Brain’ ont pu mettre en évidence trois types de signaux encodés dans cette région lors de l’anticipation et la réception de gains monétaires.
D’autre part, nous avons cherché à mieux comprendre quelle composante du cerveau social est nécessaire  lors de l’apprentissage de hiérarchie sociale. Cette étude nous a mené à créer une nouvelle collaboration pour tester des sujets en utilisant la technique de stimulation de courant transcraniale (tDCS ) à Zurich. Les premiers résultats montrent que la partie médiale du cortex préfrontal dorsomédiale (dmPFC) est nécessaire à cet apprentissage.
De plus, nous avons caractérisé la dynamique neuronale de l’amygdale lors de la présentation de visages ayant des traits plus ou moins dominants. Les résultats obtenus en iEEG chez 5 patients épileptiques sont encourageants et montrent que le caractère dominant d’un visage est encodé de façon précoce (110 ms).
Nous avons également réalisés 4 études d’IRMf sur le cerveau social concernant: (1) les bases cérébrales des motifs sous-tendant la défection ou la collaboration à un bien commun dans un groupe dont le nombre de contributeurs varie (tâche de bien public) ; (2) l’utilité de l’approche Bayésienne pour caractériser le comportement et l’activation cérébrale dans le fait de réviser ses croyances lorsqu’on est confronté au jugement d’autres personnes (tâche de jury dont la taille varie) ; (3) les régions cérébrales sous tendant l’aversion à l’inéquité pour soi ou pour un groupe face à un seul individu ou un groupe ; (4) les interactions entre la confiance en soi et l’opinion d’un groupe à différentes étapes de la décision sociale.
Ces études ont permis de développer de nouvelles collaborations, et ont eu des retombées publiques, comme un communiqué de presse (article de Brain).
Perspectives : Les projets d’IRMf et d’iEEG ont ouvert de nouvelles perspectives qu’il serait intéressant de développer pour mieux comprendre comment le cerveau prend des décisions en groupe. Plusieurs facteurs, comme la confiance en ses propres choix, la taille du groupe et le jugement d’autrui peuvent être modélisés de façon mathématique et leurs bases cérébrales peuvent être caractérisées.
Nous avons montré grâce à la stimulation transcrânienne à courant direct que des régions cérébrales comme le cortex préfrontal dorsomédial ont un rôle causal dans l’apprentissage de la hiérarchie sociale, ce qui n’est pas possible de démontrer en imagerie cérébrale. L’un des impacts sociétal de cette approche causale est de montrer que l’un des mécanismes fondamentaux nécessaires à l’organisation sociétale peut être manipulé et éventuellement même amélioré par cette approche causale. Au niveau clinique l’intérêt de cette étude est de pointer sur les mécanismes neuronaux qui peuvent sos-tendre les vulnérabilités aux troubles neuropsychiatriques médiés par l’expérience répétée des défaites sociales, qui peuvent entrainer des mécanismes maladaptatifs d’évitement social, d’anxiété, d’inhibition comportementale et de troubles dépressifs. 
A un niveau plus technique, le développement des enregistrements de cellules unitaires chez des patients épileptiques dans les tâches réalisées jusqu’à présent avec des macro-électrodes permettra d’approfondir les mécanismes fondamentaux impliqués dans la décision sociale.
Enfin, la combinaison simultanée de l’IRMf et des enregistrements intrâcraniens chez l’homme permettra de lier le signal BOLD enregistré en IRMf et les potentiels de champs locaux.
Publications et brevets : Trois articles ont été publiés dans des revues scientifiques prestigieuses (Brain, Journal of Neuroscience et Cortex), 1 chapitre de livre en anglais sur les bases cérébrales de la hiérarchie sociale (Academic Press) et plusieurs conférences ont été présentées sous forme d’abstract.
Y Li, G Vanni-Mercier, F Mauguière, J Isnard and Dreher J-C, Reward risk coding in the orbitofrontal cortex. An intracranial recording study in humans, Brain, 2016 Jan 25. pii: awv409.
- Y. Li, G. Sescousse, C. Amiez, JC Dreher, Local morphology predicts functional organization of experienced value signals in the human orbitofrontal cortex, Journal of Neuroscience, 35(4):1648-1658, 2015
- E Metereau and JC Dreher, The medial orbitofrontal cortex encodes a general expected value signal during anticipation of both appetitive and aversive events, Cortex, 63:42-54, 2015
8 communications orales et par poster ont été communiquées sur nos premiers résultats par les étudiants en thèse et post-doctorants impliqués dans ce projet à HBM et  au Fifth  Symposium on Biology of Decision Making, 2015:
- Seongmin A. Park,  J-C Dreher. Diffused responsibility modulates social brain regions in repeated cooperative decision within a group, Human Brain Mapping 2015, June 2015
- S. Park and Dreher J-C, Integration of confidence in own judgment and other’s opinion
- Bottemane L, Dreher J-C. Vicarious rewards modulate the decision threshold of the drift diffusion model
- S.A. Park and Dreher J-C. Diffused responsibility modulates social brain regions in repeated cooperative decision within a group
– Y. Li, .. and Dreher J-C. L Fifth  Symposium on Biology of Decision Making
 – P Wydoodt, G Sescousse, M Kehmassi and Dreher J-C. Do pathological gamblers build a composite fallacious representation of randomness?
 – R Ligneul and Dreher J-C.  Fifth  Symposium on Biology of Decision Making
– T.S. Bortolini, P. Bado, S. Hoefle, A. Engel, J-C Dreher and J. Moll