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Comment le cerveau évite-t-il les boucles de rétroaction ?

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L'article Ants Swarm Like Brains Think m'a vraiment aidé à comprendre comment les neurones qui sont assez stupides en eux-mêmes (comme les fourmis) peuvent travailler ensemble pour créer un joli système génial (un cerveau ou une fourmilière). L'idée est que les neurones et les fourmis fonctionnent principalement via une rétroaction positive et négative, ce qui est vraiment intéressant à comprendre.

Cependant, comme le montre cet article, des groupes de fourmis sont parfois pris dans ce qu'on appelle une boucle de rétroaction. Ils peuvent répéter la même action encore et encore parce que le retour positif est simplement relayé de fourmi à fourmi à fourmi en cercle, et les fourmis peuvent faire quelque chose de malsain comme marcher en cercle pendant des jours. Je ne connais aucun exemple de boucles de rétroaction négatives, mais elles seraient probablement aussi malsaines.

Comme indiqué dans les commentaires, il s'agit d'une analogie, mais non sans une bonne raison : le cerveau fonctionne via une rétroaction positive et négative. Et cela crée un potentiel de boucles de rétroaction.

Je suis donc curieux de savoir quelles caractéristiques biologiques des neurones aident à éviter ces boucles de rétroaction dans notre cerveau. Comment le cerveau évite-t-il les boucles de rétroaction ?


Normalement, après qu'un neurone excitateur se déclenche, il devient plus résistant au déclenchement à nouveau pendant un certain temps (période réfractaire). Cela est dû à des changements électriques dans le neurone excitateur.

Après avoir dépolarisé et atteint un potentiel d'action (tir), le neurone entre dans la période réfractaire, au cours de laquelle sa charge va revenir à la normale (potentiel de repos). Cette période réfractaire peut être divisée en deux phases : Absolu et relatif. Pendant le Période réfractaire absolue, le neurone ne peut plus être déchargé, car les canaux sodiques sont inactifs.

C'est la phase réfractaire relative, cependant, qui est plus pertinente à votre question. Pendant cette période, le neurone entre dans un état d'hyperpolarisation, ce qui signifie qu'il est résistant au déclenchement à nouveau, à moins qu'il ne reçoive un stimulus plus important.

Donc, fondamentalement, après le déclenchement et pendant un certain temps, un neurone a besoin d'un stimulus plus important pour être à nouveau déclenché. Cela fonctionne comme un contrôle de rétroaction, car même si vous surstimulez un neurone, il ne peut se déclencher que si souvent.

Les neurones inhibiteurs et excitateurs (et les neurotransmetteurs inhibiteurs et excitateurs) jouent également un rôle dans le contrôle de la rétroaction. Les neurones inhibiteurs réduisent la probabilité qu'un neurone postsynaptique se déclenche tandis que les neurones excitateurs font le contraire.


Cependant, parfois ces mécanismes échouent.

Par exemple, dans l'épilepsie, la résistance des neurones excitateurs au feu pendant la période réfractaire est diminuée. Un groupe de neurones commence à s'activer de manière anormale, excessive et synchronisée, ce qui entraîne une vague de dépolarisation connue sous le nom de décalage dépolarisant paroxystique, provoquant des convulsions.

Dans la maladie de Parkinson, une diminution de la dopamine entraîne une augmentation de la production inhibitrice (rétroaction négative excessive) du circuit moteur, ce qui conduit à une hypokinésie.

En revanche, l'excès de dopamine et l'activité des neurones dopaminergiques semblent être liés à la schizophrénie.


La biologie de la dépression

La dépression fait de profondes incursions dans la biologie pour provoquer les nombreux symptômes de la dépression, allant des troubles du sommeil et de l'incapacité à ressentir du plaisir au manque de motivation et aux sentiments de culpabilité. De nombreux facteurs influencent la façon dont une personne réagit aux événements stressants, si une personne devient déprimée et comment le trouble se manifeste. Ceux-ci incluent l'héritage génétique, l'expérience de vie, le tempérament, les traits de personnalité, les soutiens sociaux et les croyances.

Pourtant, on ne comprend pas bien comment exactement les changements biologiques provoquent des symptômes dépressifs. En raison de sa complexité et parce que le trouble contribue tellement à la souffrance humaine, la biologie de la dépression est un sujet majeur de recherche en cours.

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Les boucles de rétroaction négatives gèrent la production

Imaginez que le corps est une usine fabriquant le produit X. De plus, imaginez que fabriquer trop de produit X est coûteux, inutile et nocif. Cela signifie que le corps a besoin d'un moyen de ralentir l'usine lorsque suffisamment de produit X a été fabriqué. Il le fait à travers une boucle de rétroaction négative. Cela signifie que la vitesse de production est sensible à la quantité de produit X. Lorsqu'elle commence à s'accumuler, la production ralentit.

Il peut être utile de considérer l'usine comme une grande chaîne de montage qui alimente les étagères à la fin. Lorsque les étagères sont pleines, la file doit ralentir. Il n'y a nulle part où mettre le produit et il peut être utilisé pour fabriquer d'autres produits qui peuvent endommager le corps. Cependant, si les étagères sont vides, il y a beaucoup d'espace. La chaîne de montage peut accélérer jusqu'à ce que les étagères soient à nouveau pleines dans le but de garder les étagères remplies au bon niveau tout le temps.

Le contraire serait une boucle de rétroaction positive. Dans ce cas, plus il y avait de produit X, plus l'usine en ferait plus rapidement.


Comment une boucle de rétroaction aide-t-elle à maintenir l'homéostasie ?

Les boucles de rétroaction aident à maintenir l'homéostasie en permettant à l'organisme de réagir aux changements de son environnement. Les boucles de rétroaction sont importantes car les organismes sont toujours confrontés à des changements dans l'environnement ou la condition interne, de sorte que la boucle de rétroaction empêche ces changements d'aller trop loin et de devenir dangereux.

Il existe deux types de boucles de rétroaction, négative et positive. Les boucles de rétroaction positives se produisent lorsque le résultat de la boucle signale à l'organisme de faire plus de boucle. Les boucles de rétroaction négative se produisent lorsque le résultat indique au corps de ralentir ou de s'arrêter. De nombreux processus métaboliques contiennent des boucles de rétroaction négatives basées sur le produit du processus. Lorsque la concentration du produit est suffisamment élevée, le processus s'arrête.

Une boucle de rétroaction négative bien connue qui maintient l'homéostasie est associée à la thermorégulation. Lorsqu'un organisme est physiquement actif, les processus métaboliques nécessaires pour se déplacer entraînent une température corporelle plus élevée. Chez l'homme, cette température est détectée par des récepteurs dans le cerveau et la peau. Une fois détecté, le corps réagit en transpirant, ce qui contribue à abaisser sa température. Les vaisseaux sanguins près de la surface de la peau se dilatent et la baisse de la température corporelle désactive progressivement la réponse physique à mesure qu'elle revient à la normale.


Le cerveau émotionnel

Découvrez ce qui se passe pour créer une perception humaine et des expériences émotionnelles — et pourquoi ?

Les émotions telles qu'elles sont vécues peuvent être divisées en trois catégories : les émotions primaires, les émotions secondaires et les émotions de fond. Les émotions primaires sont vécues comme un sous-produit d'une chaîne d'événements stimulus-réponse. Ces réponses émotionnelles ont, dans une certaine mesure, été câblées dans notre cerveau au cours de l'évolution. La peur, la colère, le dégoût, la tristesse et la joie sont les « présidents du conseil » des émotions primaires, et l'existence ou non d'autres membres du conseil reste en débat.

Les émotions secondaires et de fond sont le produit d'une boucle de rétroaction interne. Alors que les émotions impliquées dans les réactions émotionnelles primaires peuvent également jouer un rôle dans les émotions secondaires et même comme arrière-plan, les émotions non primaires sont plus susceptibles d'être une filiale payante d'une émotion primaire. Par exemple, la peur en tant qu'émotion secondaire peut ressembler davantage à de l'anxiété, du stress ou de la timidité. Les émotions secondaires liées à la joie peuvent être vécues comme de l'extase, du plaisir ou de l'amusement.

Joseph LeDoux, professeur et chercheur au Center for Neural Science de l'Université de New York, soutient que la liste des émotions de base (primaires) n'est rien d'autre qu'une liste des comportements adaptatifs essentiels à la survie. La peur, par exemple, est évidemment liée à la survie : la peur vous aide à réagir instantanément à un stimulus que vous percevez comme dangereux (par exemple, un serpent se glissant vers vous) et à survivre à l'événement. Alors, comment ça marche?

Émotion primaire : introduire la peur
L'évolution nous a gratifié de l'amygdale, un composant en forme d'amande des anciens noyaux gris centraux qui est impliqué dans les aspects de la formation des émotions et de la mémoire. L'amygdale permet une réaction instantanée et irréfléchie face à une menace, une sorte de pilote automatique survivo-matic. Comme le dit Joseph LeDoux, « lorsqu'il s'agit de détecter et de réagir au danger, le cerveau n'a tout simplement pas beaucoup changé. À certains égards, nous sommes des lézards émotionnels. Un serpent avance ou même se tortille un peu et vous reculez. Ce n'est qu'après cette première réaction que vous réfléchissez à ce qui se passe et tracez une voie plus raisonnée de retraite précipitée.

Deux voies principales à travers le cerveau sont impliquées dans une réaction de peur. L'entrée sensorielle, par exemple du cortex visuel, passe par les voies thalamiques (qui sont sous-corticales : anciennes, semblables à celles d'un lézard et non impliquées dans la cognition) jusqu'à l'amygdale. Les voies thalamiques vers l'amygdale ne font pas la différence entre les stimuli (ce qui aide le message à se déplacer aussi rapidement qu'il le fait), donc l'information qui atteint l'amygdale est quelque chose du genre : “Danger ! Danger ! L'amygdale envoie des signaux à d'autres régions du cerveau, y compris le cingulaire antérieur et les noyaux gris centraux. Les nerfs transmettant leur message de peur atteignent l'intestin, le cœur, les vaisseaux sanguins, les glandes sudoripares et les glandes salivaires, provoquant un resserrement de l'estomac, une accélération du cœur, une augmentation de la pression artérielle, des pieds et des mains moites et la bouche aller au sec. Les muscles squelettiques réagissent, se tendent et les muscles lisses augmentent leur activité, contractant les vaisseaux sanguins et provoquant une pâleur. L'hypophyse envoie ses propres missives à la glande surrénale (qui finira par renvoyer des hormones dans le sang vers le cerveau pour aider à gérer le stress). Vous sautez de votre siège.

La deuxième voie prend l'entrée sensorielle comme celle du cortex visuel sur un jogging relativement tranquille sur les voies corticales (plus modernes, plus précises et plus lentes) vers le cortex. L'information délivrée par les voies corticales est mieux définie : “serpent ! Glissant vers moi ! Faire glisser sa langue ! Chez moi !! Ce message prend beaucoup de temps, à la fois à envoyer et à interpréter, vous ne voudriez pas dépendre de votre cortex pour vous sauver. Une fois que cette information atteint votre cortex, vous pouvez commencer à formuler votre plan de sauvegarde. Votre corps et votre cerveau sont amorcés (via les voies thalamiques), et tout ce dont vous avez besoin est un peu d'apport cognitif, un peu de réflexion, pour affiner votre évasion. La deuxième voie, après une courte escale au cortex, continue vers l'amygdale, où elle rejoint la voie thalamique d'origine.

L'amygdale continue l'état d'alarme en envoyant des signaux à de nombreuses parties du cortex leur ordonnant de prêter attention aux aspects de la situation les plus pertinents pour la survie (si le serpent glisse toujours et dans quelle direction, vers quoi ses petits yeux globuleux semblent se concentrer sur). L'amygdale réveille également les systèmes d'éveil du cerveau afin que le cerveau et le corps continuent de se concentrer complètement sur le stimulus menaçant. Vous auriez du mal à faire des maths à un moment comme celui-ci et clairement, si vous voulez survivre, vous ne voudriez pas. Les systèmes d'éveil, bien sûr, inondent l'amygdale avec les autres parties pertinentes du cerveau et du corps, et ainsi l'amygdale devient encore plus excitée et répète le cycle d'éveil et ainsi de suite.

Dans le même temps, le corps renvoie consciencieusement des impulsions alarmées au cerveau, signalant l'état de préparation des divers organes et muscles. Tout se confond dans l'amygdale, ce grand coordinateur de la réactivité de la peur, et vous continuez à sauter par-dessus les bureaux jusqu'à ce que vous atteigniez la porte, puis vous courez.

Une fois que la rencontre avec le serpent a survécu, la mémoire émotionnelle de votre peur et la mémoire cognitive du serpent deviennent une réponse émotionnelle apprise qui vous permet et vous motive à planifier pour le serpent. Vous pouvez aborder votre prochain cours dans cette salle avec plus de prudence, assurez-vous de fermer la porte de la classe et vérifiez que le professeur de biologie de la classe voisine a sécurisé les « animaux domestiques ». Parce que vous avez la cognition, vous pouvez non seulement réagissez au serpent pour vous assurer de survivre à cette première rencontre, mais agissez également sur vos connaissances et votre peur émotionnelle du serpent en traçant des plans d'action futurs. Ainsi, une émotion primaire se déplace, à travers l'expérience et l'apprentissage, dans le domaine de l'émotion secondaire.

Théorie de la préparation : le scout de la peur

Chaque espèce est évolutivement préparée pour être conditionnée à certains stimuli, les prédateurs en étant l'exemple évident. Dans le domaine du conditionnement de la peur, chaque espèce est prête à réagir et à être conditionnée par des stimuli tels que des combinaisons spécifiques d'ampleur, de rapidité, de volume et, bien sûr, les conséquences du contact avec une menace, comme la douleur d'être mordu. En laboratoire, il est possible de défaire certains conditionnements de peur dans une certaine mesure, de sorte qu'un rat conditionné à craindre un buzzer puisse être convaincu du contraire. Cependant, les buzzers sont évolutifs sans intérêt (peu de buzzers se cachaient dans les plaines d'autrefois), et donc la peur des buzzers est facilement éteinte. Cependant, être conditionné à craindre un stimulus plus pertinent sur le plan de l'évolution, tel qu'un prédateur, est presque impossible à éteindre car les proies sont préparées de manière évolutive à accepter cette empreinte.

De plus, les individus varient dans leur préparation, de sorte que certains sont plus enclins à développer des phobies qui peuvent sembler déraisonnables dans la société moderne. Certains enfants développent une peur des chiens même si tout ce qu'un chien a jamais fait a été d'aboyer contre eux. Pour un système de survie bien préparé, cela pourrait suffire à garantir qu'un individu évitera les chiens pour toujours.

Les autres émotions primaires (bonheur, tristesse, dégoût, colère) ne suivent pas exactement le chemin tracé par la peur, mais les principes de base derrière la réaction de peur peuvent être généralisés pour n'importe laquelle des émotions primaires.

Les émotions secondaires, en revanche, ne sont pas réactives mais sont des réponses émotionnelles apprises qui, selon Antonio Damasio, professeur et chef du département de neurologie à l'Université de l'Iowa College of Medicine, se développent au cours de la vie. La liste des émotions secondaires comprend toutes les gradations subtiles des émotions primaires : ennui, intérêt, irritation, euphorie, etc. Les stimuli qui conduisent à une réaction émotionnelle secondaire ne mettent pas immédiatement la vie en danger, et donc au lieu de provoquer une réaction rapide, ces stimuli impliquent une réaction plus longue et plus complexe.

Émotion secondaire

L'émotion secondaire est différente de l'émotion primaire en ce qu'elle commence par la cognition et suit un chemin qui a été créé en apprenant que les images sont associées aux émotions, et les événements déclenchant ces images déclenchent ensuite les émotions pré-associées. Sur le plan neurologique, les émotions secondaires suivent des chemins légèrement différents de ceux des émotions primaires : le traitement des stimuli commence dans le lobe frontal et se rend ensuite jusqu'à notre amie l'amygdale pour compléter le circuit émotionnel.

Une expérience du genre émotion secondaire se déroulerait comme suit. Vous êtes assis dans une salle de conférence, cahier ouvert, stylo à la main. Après un petit moment, vous évaluez la situation. Le professeur, calé derrière le lutrin, bourdonne. Vous essayez de faire attention, mais votre évaluation cognitive franche est : bo-o-oring. Dans le processus de décision, des images liées de diverses parties du cerveau (visuelles, auditives, etc.) flottent sur ce professeur particulièrement ennuyeux, d'autres conférences fastidieuses ou votre implication (ou votre absence) dans le sujet.

Ces images n'échappent pas à l'attention du cortex préfrontal ici la relation de ces images à des situations similaires et les émotions habituellement suscitées par ces situations sont reconnues. L'amygdale et le cingulaire antérieur sont notifiés. À ce stade, ces régions signalent aux viscères (intestins, etc.), aux muscles squelettiques et aux systèmes endocrinien et peptidique (impliqués dans la libération d'hormones) qu'un événement similaire aux événements qui ont généré la réponse X est en train de se produire. Le corps recrée aimablement la réponse X dans ce cas, une glissade dans la stupeur et renvoie le signal All Systems Go au cerveau. Le cerveau prend dûment note du fait que le corps montre des signes d'ennui.

L'amygdale et le cingulaire antérieur activent également le tronc cérébral et le prosencéphale basal pour libérer des produits chimiques vers les noyaux gris centraux et le cortex cérébral, de sorte que, parallèlement à la réaction corporelle, le style et l'efficacité du processus cognitif sont affectés. Ainsi, non seulement l'état du corps envoie un signal, mais nous vivons un moment d'émotion ici ! Dans la salle de conférence, alors, votre pensée commence à ralentir et les vignes de la torpeur s'enroulent lentement autour du cerveau et du corps jusqu'à ce que vous somnolez pendant un autre cours.

L'évolution des émotions secondaires
L'émotion secondaire peut ne pas sembler évolutivement adaptative, mais elle l'est. Les émotions secondaires aident le cerveau à associer les bonnes et les mauvaises conséquences à des événements plus subtils que, par exemple, d'être confronté à un prédateur. Un lézard n'aurait pas de réaction particulière au style de présentation d'un conférencier, mais un humain pourrait utiliser les informations sur la conférence pour faire des choix : lire une bande dessinée, déclarer une matière différente, rattraper son sommeil bien mérité. L'ennui vous incite à essayer quelque chose de nouveau, ce qui pourrait conduire à des méthodes nouvelles et améliorées pour accomplir une tâche, ce qui pourrait conduire à de plus grands choix et donc à des chances de survie, ce qui, bien sûr, s'adapte à l'évolution.

Ainsi, les émotions secondaires nous aident à retenir des informations sophistiquées sur des événements subtils de nos vies complexes. Ces informations nous aident à prendre des décisions au quotidien, ce qui est illustré de manière frappante par des observations et des expériences avec des patients présentant des lésions du lobe frontal.

Egad. Mon lobe frontal est manquant
Les patients présentant certains types de lésions du lobe frontal (y compris l'ablation chirurgicale) ne ressentent pas d'émotions secondaires. Cependant, les patients du lobe frontal réagissent aux stimuli qui engagent les émotions primaires, comme le montrent les études menées par Damasio et Daniel Tranel, psychophysiologiste et neuropsychologue expérimental à l'Université de l'Iowa College of Medicine. Premièrement, afin d'obtenir une mesure objective de la réactivité, deux électrodes ont été connectées à la peau des sujets pour mesurer la conductivité d'une petite charge sur la surface de la peau. Parce que l'émotion produit un certain degré d'humidité, la quantité d'interférences dans la conductivité électrique mesure facilement l'occurrence d'une réaction émotionnelle. Un bruit soudain a alors été émis près du sujet. Les patients du lobe frontal ont eu la même réaction de peur surprise que les sujets sans lésion cérébrale. Même si le lobe frontal est endommagé, le reste du cerveau, y compris l'amygdale et le tronc cérébral, n'est pas endommagé, il n'y a donc aucun obstacle à l'émotion primaire. (Comme vous vous en doutez, les patients présentant des lésions de l'amygdale n'ont pas montré de réaction de peur dans cette situation.)

Cependant, lorsque les patients du lobe frontal sont placés dans une situation nécessitant une réflexion sur une situation, c'est-à-dire dans une situation où des émotions secondaires plutôt que des émotions primaires entreraient en jeu, une différence marquée entre les patients du lobe frontal et le groupe témoin apparaît. Les patients du lobe frontal et un groupe témoin, à nouveau reliés à des électrodes de mesure de la conductance, ont été chargés de regarder et de se souvenir d'une longue série de diapositives, dont certaines contenaient un contenu provoquant des émotions, dont la plupart étaient neutres. La visualisation de diapositives produisant des émotions a produit une réponse mesurable dans le groupe témoin de personnes non atteintes de lésions cérébrales, mais aucune réponse chez les patients du lobe frontal, même s'ils se souvenaient du contenu des diapositives sans problème. Les patients du lobe frontal savent parfois intellectuellement qu'ils devraient ressentir une réaction, mais la réaction n'est tout simplement pas là pour se sentir.

Bien que les patients du lobe frontal se souviennent clairement des diapositives, les dommages (ou l'absence de dommages) au lobe frontal l'ont rendu incapable de faire appel à l'amygdale et al pour se mettre au travail sur le corps et le cerveau. Par conséquent, ces personnes n'ont eu aucune réaction à se référer. à et interpréter comme une émotion. Ce chaînon manquant affecte considérablement et négativement la capacité des patients du lobe frontal à prendre des décisions parce que leurs émotions secondaires ne sont pas engagées dans l'évaluation des conséquences des nombreux choix disponibles lorsqu'ils sont confrontés à une décision (même quelque chose de simple comme choisir entre prendre un déjeuner le mardi ou mercredi), leurs processus cognitifs tournent en rond alors que tous les avantages et inconvénients de chaque choix sont laborieusement répertoriés et discutés. En fin de compte, aucune décision n'est prise jusqu'à ce que quelqu'un, l'autre moitié impatiente du déjeuner, intervienne peut-être.

Intuition : Penser à travers votre intestin
L'intuition est le résultat le plus subtil de l'émotion secondaire et un pouvoir qui manque aux patients du lobe frontal. Lorsque l'émotion secondaire laisse ses marqueurs somatiques sur l'encodage des événements dans votre cerveau, la réaction de votre corps peut devenir intuitivement associée à ce type de situation. Ainsi, dans une situation similaire, vous n'aurez peut-être même pas besoin de réfléchir à une décision mais feriez la connexion intuitive. Par exemple, lorsque vous rencontrez quelqu'un que vous aimez, votre cerveau encode le regard dans ses yeux, la façon dont il vous répond, son énergie et ses phéromones en tant que marqueur somatique positif. La prochaine fois que vous rencontrerez quelqu'un qui vous ressemble, vous savez instinctivement que vous allez aimer cette personne. Votre cerveau a senti le marqueur somatique appliqué à ce type de situation et a appliqué les connaissances de votre corps sans avoir à y penser votre intuition, votre intuition, vous dit qu'on peut faire confiance à cette personne.

Trois types d'émotion
Damasio propose un troisième type d'émotion : le sentiment de fond. Le sentiment de fond est votre état de repos émotionnel, votre homéostasie émotionnelle. C'est ce que vous ressentez le plus souvent, ce que vous ressentez entre des accès de joie et de colère, d'intérêt et de découragement. Constituée d'une surveillance générale du corps, l'émotion de fond bourdonne tranquillement, comme un petit groupe électrogène surveillant l'état de votre corps et de votre cerveau pendant que vous allez à vos occupations. Lorsque le générateur chante ou gémit, reflétant un changement dans votre état viscéral et/ou musculo-squelettique, vous prenez immédiatement conscience du changement et ressentez une émotion primaire ou secondaire.

Les émotions primaires et secondaires impliquent une dépense d'énergie pour vous éloigner de vos niveaux d'existence habituels, de votre sentiment de fond. Ainsi, les émotions primaires et secondaires attirent votre attention, mais du même coup, vous ne pouvez pas toujours être dans un état d'extase, vous avez besoin de cette énergie pour vivre votre vie.

Un sentiment de conclusion
Si nous n'étions que des lézards émotionnels répondant au danger, nos vies seraient tellement moins complexes et beaucoup moins riches. La culture évolutive des émotions secondaires et d'arrière-plan nous a permis de créer les vies sophistiquées, parfois déroutantes, souvent exaltantes, que nous menons aujourd'hui. Maintenant, le danger peut être défini comme n'importe quoi, d'une tornade à un travail sans issue, et c'est ce qui nous motive à continuer à nous dépasser et à repousser nos horizons. Nos efforts continus mènent, à leur tour, à des vies de plus en plus sophistiquées (et déroutantes et exaltantes).

Nous en payons le prix, bien sûr. Non seulement pouvons-nous utiliser notre compréhension émotionnelle et cognitive du danger pour l'éviter, mais nous sommes également condamnés à nous demander quel plan de survie est le bon plan, si le plan que nous choisissons réussira, quels autres dangers existent que nous n'avons pas prévu, et ainsi de suite. Non seulement nous, les émotifs sophistiqués, avons de meilleures chances de survie et des vies plus intéressantes pour survivre, mais nous avons aussi de l'inquiétude et du stress. N'avons-nous pas de chance ?


Comment les réseaux cérébraux produisent-ils une dépression majeure ?

Sur le plan psychologique, les caractéristiques de la dépression majeure comprennent l'importance excessive accordée aux événements et aux émotions négatifs (biais négatif) et l'état de anhédonie (difficulté à éprouver du plaisir). Ensemble, ces facteurs concourent à donner au sujet déprimé l'impression que tout est terrible et que rien ne vaut vraiment la peine d'être fait. Deux régions cérébrales importantes pour cela sont l'amygdale, pour les émotions négatives, et le noyau accumbens, pour le plaisir (voir Figure 2).

Biais émotionnel négatif

De nombreuses preuves indiquent que l'amygdale est particulièrement active lorsqu'un humain ou un animal éprouve des émotions négatives (chez les animaux, il s'agit souvent de peur). En ce qui concerne la dépression, des études de neuroimagerie chez l'homme montrent qu'en réponse à la visualisation de visages tristes, l'amygdale des personnes déprimées est extrêmement active par rapport à l'amygdale des personnes non déprimées, mais lors de la visualisation de visages heureux, l'activité de l'amygdale n'est pas distinguable entre le deux groupes. Ainsi, une amygdale hyperactive peut contribuer à la dépression.

Mais qu'en est-il du cerveau déprimé qui provoque l'hyperactivité de l'amygdale en premier lieu ? Une idée plausible est qu'une réponse au stress déséquilibrée est à blâmer. Cependant, le stress seul ne conduit pas nécessairement à la dépression - c'est plutôt la capacité de se débrouiller avec le stress qui compte. La question est donc de savoir si le stress est contrôlable ou non. La « réponse » à cette question semble se décider au sein du cortex préfrontal ventromédian (vmPFC). Le vmPFC peut affecter l'activité de l'amygdale via un intermédiaire libérant de la sérotonine : si le facteur de stress est contrôlable, le vmPFC rend finalement l'amygdale inactive, mais si le facteur de stress semble incontrôlable, l'activité de l'amygdale augmente et déclenche une réponse au stress (Figure 2). Ainsi dans le cerveau « je ne peux pas gérer ce stress », le manque d'activité dans le vmPFC favorise l'activation de l'amygdale et donc une humeur trop négative. Si cette séquence est prolongée, des glucocorticoïdes excessifs peuvent être libérés, provoquant des dommages à la fois dans l'hippocampe, qui fournit une entrée majeure au vmPFC, et dans le vmPFC lui-même. Le résultat de ces dommages induits par le stress est que l'activité vmPFC diminue, entraînant une activation supplémentaire de l'amygdale et un biais émotionnel négatif.

Anhédonie

Le plaisir vient de faire des choses que nous trouvons gratifiantes. Dans notre cerveau, le sentiment de récompense peut être induit en activant une voie spécifique dans laquelle le neurotransmetteur dopamine est libéré dans le «centre de récompense» du cerveau, le noyau accumbens (NAc) (Figure 2). Des expériences sur des animaux ont montré que la libération de dopamine dans le NAc est suffisante pour stimuler un comportement de recherche de récompense, et que la stimulation de neurones particuliers au sein du NAc peut faire de même.

L'anhédonie - l'incapacité à ressentir du plaisir ou le manque de motivation pour rechercher une récompense - doit être causée par un problème avec le système de récompense de la dopamine et le NAc. Chez l'homme, des études de neuro-imagerie ont montré qu'en réponse à la récompense, la NAc des sujets déprimés est moins active que chez les personnes non déprimées. Chez les animaux, les chercheurs ont montré que les animaux soumis à un stress chronique léger (pour induire une « dépression ») ont besoin d'une plus grande récompense pour accomplir la même tâche que les animaux normaux. De plus, les « animaux déprimés » présentent des changements dans la manière dont la dopamine est libérée et traitée dans le NAc.


La méditation adapte le cerveau pour mieux répondre aux commentaires

Dans une nouvelle étude dans le Journal of Cognitive, Affective & Behavioral Neuroscience des chercheurs de l'Université de Surrey ont découvert un lien entre la méditation et la façon dont les individus réagissent aux commentaires.

Les participants à l'étude, un mélange d'expérimentés, de novices et de non-méditants, ont été formés pour sélectionner des images associées à une récompense. Chaque paire d'images avait des probabilités variables de récompense, par ex. images qui donnent lieu à une récompense 80 % du temps par rapport à celles qui donnent lieu à une récompense 20 % du temps. Les participants ont finalement appris à sélectionner l'appariement avec le résultat le plus élevé.

Les chercheurs ont découvert que les participants qui méditaient réussissaient mieux à sélectionner des paires à forte probabilité indiquant une tendance à apprendre à partir de résultats positifs, par rapport aux non-méditants qui ont appris le modèle via des paires à faible probabilité suggérant une tendance à apprendre à partir de résultats négatifs.

Au cours de l'étude, les participants ont été connectés à un EEG, une méthode non invasive qui enregistre les schémas électriques dans le cerveau. Les résultats de l'EEG ont révélé que si les trois groupes ont répondu de la même manière aux commentaires positifs, la réponse neurologique aux commentaires négatifs était la plus élevée dans le groupe sans méditation, suivi par le groupe novice, puis par le groupe de méditation expérimenté. Ces résultats indiquent que le cerveau des méditants est moins affecté par la rétroaction négative, et que cela peut être le résultat d'une altération des niveaux de dopamine causée par la méditation.

Des études antérieures dans ce domaine sur des patients atteints de la maladie de Parkinson, où les niveaux de dopamine sont sévèrement réduits, ont montré que le composé affecte la façon dont les gens réagissent aux commentaires, indiquant que la dopamine fait partie intégrante de la façon dont nous apprenons et traitons l'information. La présente étude suggère que la méditation peut présenter un moyen d'affecter les niveaux de dopamine dans le cerveau et la façon dont les humains traitent les commentaires positifs et négatifs.

Paul Knytl, auteur principal et doctorant en psychologie à l'Université de Surrey, a déclaré : « Les humains méditent depuis plus de 2000 ans, mais les mécanismes neuronaux de cette pratique sont encore relativement inconnus. Ces résultats démontrent que, à un niveau profond, les méditants réagissent aux commentaires d'une manière plus impartiale que les non-méditants, ce qui peut aider à expliquer certains des avantages psychologiques qu'ils tirent de la pratique."

Bertram Opitz, professeur de neuroimagerie et de neurosciences cognitives à l'Université de Surrey, a déclaré : « La méditation est un outil puissant pour le corps et l'esprit, elle peut réduire le stress et améliorer la fonction immunitaire. Ce que nous avons découvert, c'est qu'elle peut également avoir un impact sur la façon dont nous recevons des retours, c'est-à-dire si nous apprenons rapidement de nos erreurs ou si nous devons continuer à les commettre avant de trouver la bonne réponse.

"Si c'est ce dernier cas, cela peut avoir un impact sur les performances des individus sur le lieu de travail ou en classe. Ces individus peuvent bénéficier de la méditation pour augmenter leur productivité ou les empêcher de prendre du retard dans leurs études."


Retours négatifs

La plupart des systèmes de rétroaction biologique sont des systèmes de rétroaction négative. Negative feedback occurs when a system’s output acts to reduce or dampen the processes that lead to the output of that system, resulting in less output. In general, negative feedback loops allow systems to self-stabilize. Negative feedback is a vital control mechanism for the body’s homeostasis.

You saw an example of a feedback loop applied to temperature and identified the components involved. This is an important example of how a negative feedback loop maintains homeostasis is the body’s thermoregulation mechanism. The body maintains a relatively constant internal temperature to optimize chemical processes. Neural impulses from heat-sensitive thermoreceptors in the body signal the hypothalamus. The hypothalamus, located in the brain, compares the body temperature to a set point value.

When body temperature drops, the hypothalamus initiates several physiological responses to increase heat production and conserve heat:

  • Narrowing of surface blood vessels (vasoconstriction) decreases the flow of heat to the skin.
  • Shivering commences, increasing production of heat by the muscles.
  • Adrenal glands secrete stimulatory hormones such as norepinephrine and epinephrine to increase metabolic rates and hence heat production.

These effects cause body temperature to increase. When it returns to normal, the hypothalamus is no longer stimulated, and these effects cease.

When body temperature rises, the hypothalamus initiates several physiological responses to decrease heat production and lose heat:

  • Widening of surface blood vessels (vasodilation) increases the flow of heat to the skin and get flushed.
  • Sweat glands release water (sweat) and evaporation cools the skin.

These effects cause body temperature to decrease. When it returns to normal, the hypothalamus is no longer stimulated, and these effects cease.

Many homeostatic mechanisms, like temperature, have different responses if the variable is above or below the set point. When temperature increases, we sweat, when it decreases, we shiver. These responses use different effectors to adjust the variable. In other cases, a feedback loop will use the same effector to adjust the variable back toward the set point, whether the initial change of the variable was either above or below the set point. For example, pupillary diameter is adjusted to make sure an appropriate amount of light is entering the eye. If the amount of light is too low, the pupil dilates, if it is too high, the pupil constricts.

This might be compared to driving. If your speed is above the set point (the value you want it to be), you can either just decrease the level of the accelerator (i.e. coast), or you can active a second system — the brake. In both cases you slow, but it can be done by either just “backing” off on one system, or adding a second system.

Let’s look at how these two examples work related to normal blood pressure homeostasis.

Blood pressure is measured as the circulating blood puts pressure on the walls of the body’s arteries. Blood pressure is created initially by the contraction of the heart. Changes in the strength and rate of contraction will be directly related to changes in blood pressure. Changes in the volume of blood would also be directly related to changes in blood pressure. Changes in the diameter of the vessels that blood travels through will change resistance and have an opposite change on blood pressure. Blood pressure homeostasis involves receptors monitoring blood pressure and control centers initiating changes in the effectors to keep it within a normal range.


How "Loops" in the Brain Speed Up Communication

Selective communication among different brain regions is crucial for brain function. But the weak and sparse connectivity of the brain is a big hurdle. During the last decade neuroscientists have identified various means by which this limitation can be counteracted. Now scientists from Iran, Germany and Sweden have identified a new role of bi-directional connections in accelerating the communication between brain regions. They have now presented their results in the scientific journal Biologie computationnelle PLoS.

There are essentially two ways by which weak and sparse connectivity can be countered: either by synchrony or by oscillations. In synchrony mode, many neurons spike together (synchronously) when they transmit stimulation. Together they have a stronger combined effect in the downstream network than they do individually. By contrast, in oscillation mode, network oscillations increase the effective connectivity periodically by modulating the membrane potentials of downstream neurons that are receiving the stimulation.

But the oscillations need to be synchronized in the sender and receiver networks. "It is an open question how such synchronous oscillations may occur in the brain. Some time back we proposed that the resonance property of neuronal networks can be used to generate synchronized oscillations," says Ad Aertsen from the Bernstein Center Freiburg (BCF) of the University of Freiburg. Resonance in a neuronal network means that when this network is stimulated at a specific frequency, the network starts to oscillate and the input has a much bigger impact. This idea is referred to as "communication through resonance (CTR)."

However, CTR posed another problem. It takes several oscillation cycles to build up the resonance in the network. Moreover, such resonance needs to be created at every downstream stage. This means that communication across networks is quite slow. "We thought that synchrony and oscillations provide fast and slow communication modes, respectively. And both can be used in different situations. But we remained wary of this issue," explains Arvind Kumar from the Royal Institute of Technology (KTH) in Stockholm, Sweden.

A possible way to speed up the communication is to reduce the time it takes to build-up the resonance. To this end, the group focused on the anatomical observation of bi-directional connections among brain areas. That is, not only do neurons from the sender network project to receiver neurons, but some neurons from the receiver network also project back to the sender network. "Such bi-directional connections are few, but they are sufficient to support a loop between sender and receiver networks," explains Alireza Valizadeh of Institute for Advanced Studies in Basic Sciences in Zanjan, Iran. An important consequence of such a loop is that resonance can be established in fewer cycles. More importantly even, the loop can amplify the signal and there is no need to build-up resonance in subsequent layers. Hedyeh Rezaei, a PhD-student at Zanjan University and visiting student at the BCF under the auspices of her research project says: "It is remarkable that such a loop of connections between just one resonance pair of sender and receiver networks can speed up the network communication by at least a factor of two."

Ad Aertsen sums up: "These new findings provide support for the idea of 'communication through resonance.' What is important is that these results implicate bi-directional connections between brain regions in a novel function, namely, in shaping more rapid and reliable communication between them."

Référence: Rezaei, H., Aertsen, A., Kumar, A., & Valizadeh, A. (2020). Facilitating the propagation of spiking activity in feedforward networks by including feedback. PLOS Computational Biology, 16(8), e1008033. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008033

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Positive and negative feedback loops in maintenance of homeostasis

Negative feedback in homeostasis

A negative feedback loop is a process that detects and reverses deviations from normal body constants.

To maintain homeostasis, negative feedback loops exist throughout the body.

These systems prevent blood sugar, blood pressure, temperature, and other body constants from becoming too high or too low.

Homeostasis and temperature regulation in humans

In 1775, Dr. Charles Blagden of the Royal Society of London tested the human body’s ability to withstand heat.

He had a special room heated to 126°C, well above the boiling point of water. He then entered the room with a pet dog and a piece of raw meat.

After 45 minutes, he left the room with no ill effects other than a pulse rate that had increased to 144 beats per minute (about twice its normal rate). The dog, too, was fine, but the meat had been cooked.

Negative feedback loop in temperature homeostasis

Positive feedback in homeostasis

Positive feedback loops also exist, but they are usually associated with disease or change (for example, drug addiction).

An example of a positive feedback loop is high blood pressure.

Damage to arteries due to high blood pressure results in the formation of scar tissue. This scar tissue traps cholesterol, which impedes the flow of blood through the arteries and thereby increases blood pressure even more.


Voir la vidéo: Aivot - sinunkin pääasiasi (Mai 2022).


Commentaires:

  1. Scrydan

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