Effet dépendant de l’intensité de la stimulation électrique du cortex cérébral sur l’apprentissage des mouvements et relation avec la dopamine

Introduction

De nos jours, les techniques de stimulation cérébrale non invasive telles que la stimulation transcrânienne par courant continu (transcranial direct current stimulation, tDCS) sont largement utilisées dans les recherches sur la neuroplasticité pour moduler la cognition et le comportement. Cependant, optimiser les protocoles de stimulation afin de maximiser leurs bénéfices reste un défi majeur. Cela nécessite une meilleure compréhension de la manière dont la stimulation régule la fonction corticale et le comportement. Bien que de plus en plus de preuves soutiennent une relation dose-réponse entre l’intensité du tDCS et l’excitabilité cérébrale, sa relation avec le comportement est encore peu connue. Moins d’études explorent les mécanismes neurobiologiques potentiellement à l’origine de cette relation dose-réponse. Dans cette étude, les auteurs examinent les effets de trois intensités différentes de tDCS (1 mA, 2 mA, 4 mA) sur l’apprentissage de séquences de mouvements et évaluent le rôle de la dopamine dans cette relation dose-réponse.

Source de l’étude

Cet article, rédigé par Li-Ann Leow, Jiaqin Jiang, Samantha Bowers, Yuhan Zhang, Paul E. Dux et Hannah L. Filmer, tous affiliés à l’Université du Queensland et à l’Université Edith Cowan, a été publié en avril 2024 dans la revue « Brain Stimulation ».

Résumé de l’étude

Conception de l’étude

Cette étude utilise une conception préenregistrée (https://osf.io/jegsr) avec un plan factoriel comprenant les variables entre les sujets: dose (sham, 1 mA, 2 mA, 4 mA) et médicament (lévodopa, placebo), ainsi que les variables intra-sujets: évaluation des séquences répétées et aléatoires et différents blocs expérimentaux. Tous les participants ont été répartis de manière aléatoire dans l’une des huit conditions expérimentales et ont tous effectué une tâche d’apprentissage de séquences de cinq éléments dans différents blocs.

Participants

Les participants, droitiers âgés de 18 à 35 ans (âge moyen de 20 ans, écart type de 4 ans), sans maladie neurologique ou psychiatrique connue et sans contre-indication à la stimulation cérébrale ou à la lévodopa, ont été recrutés. De plus, ils avaient moins de 13 ans de formation musicale et moins de 20 heures de pratique musicale ou de jeux vidéo par semaine. Les participants ont été pseudo-randomisés entre les groupes suivants: lévodopa sham tDCS (n=17), lévodopa 1 mA (n=16), lévodopa 2 mA (n=19), lévodopa 4 mA (n=18), placebo sham tDCS (n=17), placebo 1 mA (n=17), placebo 2 mA (n=17), placebo 4 mA (n=16). Cette étude a été approuvée par le comité d’éthique de la recherche humaine de l’Université du Queensland et est conforme à la Déclaration d’Helsinki. Tous les participants ont signé un consentement éclairé écrit.

Manœuvres des médicaments et de la stimulation

Pendant la première session de l’expérience, les participants ont d’abord fait l’objet d’une évaluation de la pression artérielle et de l’humeur, puis ont reçu soit une vitamine (placebo) soit de la lévodopa (madopar 125: 100 mg de lévodopa et 25 mg de benserazide hydrochloride), les médicaments ayant été écrasés et mélangés dans du jus d’orange. Ensuite, les participants ont complété divers questionnaires sur le chronotype et des évaluations de l’humeur. Les électrodes de stimulation ont ensuite été mises en place.

Lors de la tâche expérimentale, les participants ont d’abord été familiarisés avec la procédure de la tâche, puis ont exécuté la tâche d’apprentissage de séquences de mouvements durant les phases de base et d’entraînement, avec stimulation électrique pendant l’entraînement. Pour les conditions 1 mA, 2 mA et 4 mA, la stimulation a duré 11 minutes; pour la condition sham, la stimulation a duré seulement 1 minute et 15 secondes, puis a été maintenue par des impulsions minimes. Fait intéressant, les résultats de devinette émotionnelle sham et active dans les trois groupes ont montré que la probabilité de deviner correctement la stimulation sham était inférieure à la chance dans le groupe sham, en congruence avec les résultats des études précédentes.

Analyse des résultats expérimentaux

En utilisant des méthodes d’analyse bayésienne, les temps de réaction ont été utilisés pour estimer l’apprentissage des séquences de mouvements (également appelé apprentissage) et normalisés en soustrayant les temps de réaction des séquences aléatoires. Nous avons examiné l’apprentissage à différents stades de renforcement ainsi que l’heure d’expression hormonale.

Baseline

Avant l’entraînement, il n’y avait pas de différence d’apprentissage des séquences entre les différentes conditions de stimulation (effet principal: interaction intensité et médicament p > 0.05).

Apprentissage des séquences

Globalement, l’entraînement a amélioré les performances des participants. Plus précisément, les temps de réaction pour les essais de séquences ont significativement diminué, tandis que les essais aléatoires ne montraient pas le même effet. Ces avantages persistaient plus de 48 heures après, les temps de réaction subséquents étant nettement plus rapides que ceux de base.

Effets des hormones et de la lévodopa sur le processus d’acquisition

En l’absence de lévodopa, 4 mA tDCS a amélioré l’acquisition des séquences, tandis que 1 mA tDCS a diminué l’efficacité de l’acquisition. L’effet de la lévodopa a inversé cet effet, indiquant une interaction significative entre l’intensité de la stimulation et le médicament à différents stades de l’entraînement pour le processus d’acquisition.

Fin d’acquisition, rétention et transfert

À la fin de l’acquisition, l’intensité de la stimulation et la lévodopa n’ont pas significativement modifié les performances. De même, bien que les performances en phase de maintenance soient similaires, 2 mA tDCS a entraîné le pire transfert croisé. La lévodopa n’a pas significativement modifié ce processus.

Discussion

Cette étude fournit la première preuve que la dopamine joue un rôle causal dans l’effet dépendant de l’intensité du tDCS. Alors que des recherches antérieures ont montré que l’augmentation de l’intensité de la stimulation augmente les effets positifs du tDCS sur l’apprentissage des séquences, cet effet est inversé lorsqu’il est combiné avec la lévodopa. Cela pourrait être dû au fait que la lévodopa augmente les niveaux de dopamine dans le mésencéphale alors que la libération de dopamine induite par le tDCS est déjà suffisante pour atteindre ou dépasser la dose optimale.

Notamment, contrairement aux études précédentes, nous n’avons pas observé d’effet de la lévodopa sur l’apprentissage des séquences en l’absence de tDCS. Des recherches futures doivent explorer les mécanismes derrière cette différence et envisager la variabilité individuelle dans la réponse au tDCS et aux médicaments.

Les résultats de cette étude sont significatifs pour l’application du tDCS à des populations avec des altérations de la fonction dopaminergique (telles que les personnes âgées et les patients atteints de la maladie de Parkinson), suggérant que la conception rationnelle des protocoles de stimulation et l’utilisation concomitante des médicaments pourraient améliorer l’efficacité thérapeutique dans ces populations.

Conclusion

Cette étude révèle un effet dose-réponse non linéaire du tDCS sur l’apprentissage explicite des séquences de mouvements et montre le rôle crucial de la dopamine dans ce processus. Cette recherche avance significativement notre compréhension de la régulation de l’apprentissage des mouvements par la stimulation et offre de nouvelles perspectives pour une application personnalisée du tDCS à divers groupes de population.