Principes de la maturation émotionnelle du circuit cérébral

Le cerveau des mammifères est organisé en circuits superposés et intercalés, et un vaste corpus d'informations s'est concentré sur la maturation des circuits sensoriels (visuels, auditifs) et moteurs (1–3). Pourtant, on en sait beaucoup moins sur les principes de maturation des circuits cérébraux « émotionnels », y compris ceux qui régissent les comportements liés à la récompense, au stress et à la peur.

Les mammifères sont une classe d'animaux dotés d'une intelligence et d'une mémoire avancées, et la structure et la fonction de leur cerveau ont été continuellement améliorées et améliorées au cours du long processus évolutif. Comme nous le savons tous, les êtres humains sont l'espèce la plus intelligente parmi les mammifères, et notre grand cerveau est la source de notre QI.

La relation entre le cerveau et la mémoire est indissociable, non seulement les humains mais aussi de nombreux autres mammifères ont une forte fonction de mémoire. Par exemple, de nombreux animaux se souviennent de leurs territoires, de leurs sources de nourriture et de leurs chemins, qui sont tous essentiels à leur survie. La recherche a montré que l'hippocampe et le cortex préfrontal du cerveau des mammifères sont les régions les plus importantes pour la formation et le stockage de la mémoire.

De plus, les mammifères ont développé une variété de stratégies de mémoire sur une longue période d'évolution pour s'adapter à différents environnements de vie et besoins. Les éléphants et les dauphins, par exemple, utilisent la mémoire vocale, les singes et les écureuils utilisent la mémoire spatiale, les fourmis et les abeilles utilisent la mémoire chimique, etc.

Parce que la relation entre le cerveau et la mémoire est si étroite, nous devons chérir notre intelligence et notre mémoire, apprendre et explorer constamment de nouvelles connaissances et maintenir la santé et la vitalité du cerveau. Dans le même temps, nous devons également faire attention et protéger le cadre de vie des autres mammifères, afin qu'ils puissent continuer à exercer leur puissante mémoire et leur intelligence. Ce n'est qu'en gardant et en protégeant ensemble l'environnement écologique de la nature que nous pouvons gagner plus de sagesse et de bonheur. De ce point de vue, nous, les humains, devons également améliorer notre immunité. Cistanche peut améliorer considérablement l'immunité, car Cistanche peut également réguler l'équilibre des neurotransmetteurs, comme l'augmentation des niveaux d'acétylcholine et des facteurs de croissance, qui sont importants pour la mémoire et l'apprentissage est très important. En outre, la viande peut également améliorer la circulation sanguine et favoriser l'apport d'oxygène, ce qui peut garantir que le cerveau reçoit une nutrition et une énergie suffisantes, améliorant ainsi la vitalité et l'endurance du cerveau.

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Les preuves suggèrent que les apports sensoriels de l'environnement au cours d'une période sensible du début de la vie postnatale ont des effets importants sur le développement du circuit émotionnel, tout comme les images, les odeurs et les sons négatifs ou positifs influencent les sentiments et les actions à l'âge adulte.

Le fonctionnement perturbé des circuits émotionnels est à la base des maladies mentales et des troubles liés à l'utilisation de substances. Par conséquent, une meilleure reconnaissance des principes guidant le développement de ces circuits est importante pour comprendre la santé humaine.

L'établissement de circuits sensoriels tout au long du développement implique une phase initiale d'événements génétiquement et moléculairement déterminés, notamment la migration neuronale et la construction de synapses.

Le renforcement ou l'élagage ultérieur des synapses est un processus dépendant de l'activité du réseau qui sculpte des circuits matures (4). L'activité du réseau cruciale pour ce processus est, à son tour, pilotée par des entrées sensorielles spécifiques au circuit (par exemple, des séquences de tonalité, de lumière ou de toucher). De plus, l'activité du réseau axée sur les signaux sensoriels doit avoir lieu pendant une période critique ou sensible (1–3).

Cependant, l'exécution de comportements complexes chez les humains et d'autres mammifères - et les calculs, les décisions et les émotions qui contribuent à ces comportements - nécessite des circuits cérébraux supplémentaires.

Ceux-ci reçoivent des informations convergentes des réseaux codant et traitant les signaux environnementaux, et des projections nerveuses qui véhiculent l'état interne du corps (voir la figure).

Ces circuits d'ordre supérieur, considérés comme « émotionnels » ou « cognitifs » selon leur implication principale dans le comportement humain (par exemple, la mémoire peut être cognitive alors que « l'instinct » peut être émotionnel), jugent de nombreux flux d'informations pour conduire des comportements complexes. Alors que les découvertes sur la structure et la fonction des circuits émotionnels se multiplient, leur développement, et plus particulièrement l'influence des signaux environnementaux sur leur maturation, reste mal compris.

En se concentrant sur l'influence des signaux sensoriels au début de la vie postnatale sur la maturation du circuit émotionnel, il est proposé que des séquences imprévisibles de signaux environnementaux influencent le développement et le raffinement du circuit émotionnel, favorisant les vulnérabilités aux maladies émotionnelles.

Les circuits émotionnels comprennent les zones corticales préfrontales, les noyaux thalamiques, l'hippocampe, l'amygdale et les noyaux hypothalamiques, ainsi que des régions sous-corticales supplémentaires.

Les activités coordonnées de ces circuits nécessitent la maturation de leurs composants et un raffinement supplémentaire de leurs connexions intégratives. Alors que de nombreuses questions sur la nature de la maturation du circuit émotionnel ne sont pas entièrement résolues, les informations provenant du développement du circuit sensoriel et de la mémoire sont instructives. Le concept de hiérarchie est commun aux deux processus : dans les circuits visuel, sensori-moteur et auditif, le développement passe des neurones récepteurs de signaux périphériques aux noyaux thalamiques de premier ordre jusqu'au cortex, suivis des noyaux thalamiques de second ordre et des régions corticales. qui, à leur tour, participent à des circuits émotionnels et cognitifs de haut niveau.

Notamment, le signal environnemental approprié pour chaque circuit sensoriel spécifie l'expression des gènes et l'identité cellulaire des neurones de premier ordre, et les activités de ces neurones spécifient l'identité et la fonction de leurs cibles corticales.

Les neurones dans les circuits émotionnels (par exemple, la récompense) fonctionnent comme des cellules cibles pour la sortie du circuit sensoriel, et ainsi leurs identités et activités peuvent être pilotées par l'entrée des circuits sensoriels intercalés. À l'appui de cette idée, la privation d'entrée sensorielle perturbe les connexions synaptiques des neurones relais sensoriels primaires et des neurones d'ordre supérieur qui appartiennent aux circuits d'intégration émotionnelle (5).

Une fois les circuits de base établis, la sculpture supplémentaire des circuits émotionnels implique des changements quantitatifs dans le nombre et/ou la force des synapses et des changements dans les contributions relatives des projections neuronales spécifiques au type de cellule au complément synaptique des neurones dans les régions cérébrales clés (nœuds centraux ) du circuit. Dans ce modèle, le développement hiérarchique des circuits émotionnels intégratifs commence par la maturation dépendante du signal environnemental des réseaux sensoriels, couplée à celle des neurones relais véhiculant les états internes du corps.

Une hiérarchie similaire de développement de circuits, influencée par des signaux environnementaux sensoriels, a lieu dans le circuit hippocampique d'apprentissage et de mémoire. Ici, les signaux sensoriels de l'environnement sont transmis à travers les régions d'association du cortex aux neurones de la couche superficielle du cortex entorhinal médian, première étape de la maturation spatio-temporelle hiérarchique de ce réseau.

Leurs séquences de signaux synaptiques (activité) entraînent à leur tour les étapes ultérieures de maturation du circuit, y compris les neurones hippocampiques le long de la voie trisynaptique suivis par les cellules du cortex entorhinal latéral de la couche profonde (6). À l'appui de cette progression dépendante de l'activité par étapes de l'apprentissage et du développement du circuit de la mémoire, le silence de l'activité excitatrice à n'importe quel stade du réseau chez la souris altère la maturation des neurones en aval mais pas de ceux en amont.

Ainsi, les informations provenant du développement des circuits sensoriels et mnésiques suggèrent que des signaux sensoriels de plusieurs types, se produisant pendant les périodes sensibles, sont nécessaires pour établir des connexions synaptiques des composants de premier ordre et d'ordre supérieur des circuits émotionnels naissants (2, 3, 5, 7).

Pourtant, la question de savoir si le raffinement ultérieur des connexions neuronales fonctionnelles impliquées dans l'exécution de la sortie comportementale complexe des réseaux émotionnels dépend des signaux sensoriels, ainsi que de la source et des caractéristiques de ces signaux, reste incertaine.

Les études humaines confirment une forte influence des signaux sensoriels précoces de l'environnement sur le développement et le fonctionnement des circuits émotionnels (8). Les sources potentielles et les caractéristiques de ces apports sont restées floues, mais des études fondamentales, étayées par des preuves émergentes, indiquent que les apports sensoriels saillants à la maturation des circuits émotionnels proviennent de l'environnement proche d'un être humain (ou d'un rongeur) en développement.

Au cours de la période sensible au cours de laquelle ces circuits émotionnels se développent - montré par une étude contrôlée randomisée chez des orphelins roumains adoptés à différents âges (9) et des travaux récents sur des humains et des rongeurs (8) pour englober les 2 premières années et 2 semaines de vie, respectivement — l'environnement immédiat principal est constitué par les parents.

Par conséquent, les entrées sensorielles des parents peuvent être un paramètre saillant qui influence la maturation des émotions et leurs circuits sous-jacents.

La nature des signaux sensoriels parentaux et autres environnementaux qui favorisent ou perturbent la maturation des circuits cérébraux émotionnels a attiré un riche ensemble d'études observationnelles et mécanistes (9-13). La plus grande partie de l'attention dans les études humaines s'est concentrée sur la présence, la quantité et la qualité des signaux parentaux (par exemple, la sensibilité, la réactivité) concernant les besoins du nourrisson, avec un accent particulier sur les comportements maternels plutôt que paternels (8).

Cependant, des études inspirées par la maturation du réseau auditif soutiennent un rôle primordial non seulement dans la valence positive ou négative des signaux parentaux mais aussi dans leurs schémas ou séquences dans la maturation des circuits émotionnels (1, 12).

Chez l'homme, des séquences imprévisibles (haute entropie) de signaux sensoriels maternels au nourrisson prédisent des résultats émotionnels négatifs durables, y compris un contrôle plus faible des émotions et des comportements (contrôle avec effort) (13), un prédicteur établi des vulnérabilités mentales et du risque de trouble de stress post-traumatique plus tard dans la vie. Notamment, dans des études contrôlées sur des souris et des rats, des séquences imprévisibles de comportements maternels ont directement conduit à une maturation aberrante du circuit émotionnel et à des comportements de plaisir perturbés chez les chiots (11, 12, 14).

Les mécanismes par lesquels des séquences prévisibles ou imprévisibles de signaux sensoriels dérivés des parents modulent la maturation de circuits cérébraux spécifiques commencent seulement à émerger. Par exemple, des séquences imprévisibles de comportements de soins maternels chez la souris influencent la connectivité synaptique dans les nœuds cérébraux clés qui contribuent au stress et à d'autres circuits émotionnels.

Plus précisément, les souris élevées par des mères affichant des séquences de soins imprévisibles (mais avec la même quantité de soins dans l'ensemble) au cours de la période postnatale précoce sensible ont une densité accrue de synapses excitatrices fonctionnelles sur l'hormone de libération de la corticotropine (CRH) sensible au stress et régulatrice. neurones (14).

Cette connectivité synaptique aberrante conduit à des réponses comportementales et hormonales perturbées aux stress aigus et chroniques plus tard dans la vie. Les mécanismes de la persistance exubérante des synapses excitatrices sur les cellules CRH impliquent une atténuation de l'élagage développemental normal de ces synapses excitatrices par les cellules cérébrales microgliales adjacentes.

Plus précisément, l'expression et la fonction du récepteur microglial Mer tyrosine kinase (MERTK) phagocytaire (engloutissant les synapses) sont réduites. On ne sait pas encore si cela résulte des effets directs de signaux imprévisibles sur la microglie ou si la signalisation neuronale vers la microglie est perturbée.

Des études chez l'homme suggèrent que des séquences de signaux sensoriels imprévisibles et leur impact potentiel sur la maturation des circuits cérébraux chez les nourrissons et les enfants peuvent expliquer une partie importante de la variance des résultats émotionnels (13).

Des études prospectives aux États-Unis et en Finlande ont révélé que des séquences imprévisibles de comportements maternels laissaient présager des déficits de contrôle de l'effort, et ces effets persistaient malgré la correction d'autres variables importantes du début de la vie, y compris la sensibilité maternelle aux besoins du nourrisson (une mesure courante de la qualité de l'éducation maternelle). comportements de soins), le statut socio-économique et les symptômes dépressifs maternels (13).

Les découvertes d'une influence durable de séquences imprévisibles de signaux précoces sur la maturation fonctionnelle des circuits émotionnels révèlent des pistes de recherche future. Par exemple, des séquences de signaux sensoriels pourraient conduire l'activité neuronale au sein d'un réseau émotionnel déjà en développement. On ne sait pas non plus s'il existe une progression hiérarchique du raffinement et de la maturation synaptiques au sein de circuits émotionnels spécifiques, analogues aux circuits sensoriels et mémoriels. Une enquête plus approfondie sur les populations de cellules (telles que les cellules CRH hypothalamiques) qui sont les plus sensibles aux séquences imprévisibles de signaux sensoriels est nécessaire. De plus, les déficits persistants dans les opérations des circuits émotionnels résultant de signaux imprévisibles au début de la vie peuvent-ils être évités ou améliorés ?

De nouvelles technologies, y compris l'optogénétique non invasive (15), permettraient de délivrer des séquences prévisibles et/ou imprévisibles de signaux qui activent des populations cellulaires spécifiques à différents moments pendant les périodes sensibles ou plus tard. De telles expériences sur des modèles animaux pourraient tester si l'administration de séquences de signaux prévisibles surmonte les déficits des comportements de type émotionnel résultant de l'élevage dans des environnements imprévisibles et peut éclairer les interventions comportementales chez les enfants. En effet, le cadre conceptuel décrit ici comporte des avantages potentiels substantiels : si des schémas imprévisibles de signaux sensoriels précoces perturbent la maturation normale des circuits émotionnels, conduisant à des vulnérabilités à la maladie mentale, ces schémas aberrants peuvent être atténués par des approches comportementales préventives ou interventionnelles ( 8).

REMERCIEMENTS

Nous remercions CM Gall, G. Lynch et T. Hensch pour leurs précieuses discussions. Les auteurs sont soutenus par les National Institutes of Health (subventions P50 MH096889, MH73136 et NS108296), la Fondation Bren et la Fondation Hewitt pour la recherche biomédicale.

RÉFÉRENCES ET REMARQUES

Takesian AE, Bogart LJ, Lichtman JW, Hensch TK, Nat. Neurosci 21, 218 (2018). [PubMed : 29358666]

2. Cheng S, et al. Cellule 185, 311 (2022). [PubMed : 35063073]

3. Khazipov R, et al. Nature 432, 758 (2004). [PubMed : 15592414]

4. Faust TE, Artilleur G, Schafer DP, Nat. Rev. Neurosci 22, 657 (2021). [PubMed : 34545240]

5. Frangeul L et al. Nature 538, 96 (2016). [PubMed : 27669022]

6. Donato F, Jacobsen RI, Moser MB, Moser EI, Science 355, eaai8178 (2017). [PubMed : 28154241]

7. Kloc ML, Velasquez F, Niedecker RW, Barry JM, Holmes GL, Brain Stimul. 13, 1535 (2020). [PubMed : 32871261]

8. Luby JL, Baram TZ, Rogers CE, Barch DM, Trends Neurosci. 43, 744 (2020). [PubMed : 32863044]

9. Nelson CA 3rd et al. Sciences 318, 1937 (2007). [PubMed : 18096809]

10. Goodwill HL et al. Cell Rep. 25, 2299 (2018). [PubMed : 30485800]

11. Francis D, Diorio J, Liu D, Meaney MJ, Science 286, 1155 (1999). [PubMed : 10550053]

12. Molet J et al. Trad. Psychiatrie 6, e702 (2016). [PubMed : 26731439]

13. Davis EP et al. EBioMedicine 46, 256 (2019). [PubMed : 31362905]

14. Bolton JL et al. Cell Rep. 38, 110600 (2022). [PubMed : 35354026]

15. Chen R et al. Nat. Biotechnol 39, 161 (2021). [PubMed : 33020604]

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