Comment le cerveau humain alloue l'effort physique dans le temps : données comportementales, imagerie cérébrale et pharmacologie

How the human brain allocates physical effort over time : evidence from behavior, neuroimaging and pharmacology

• Auteur / Autrice : Florent Meyniel
• Direction : Mathias Pessiglione
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences cognitives
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effort physique

Magnétoencéphalographie

Imagerie médicale

Résumé

Faire le bon choix, c’est trouver le bon compromis entre coût et bénéfice. Dans le cas de la gestion de l’effort physique, ce compromis prend une dimension temporelle. Pour comprendre comment la décision d’arrêter ou reprendre l’effort est prise, nous avons développé un paradigme expérimental chez le sujet humain sain et un modèle computationnel dans lequel le coût estimé augmente à l’effort car la fatigue affecte toute la commande motrice et diminue au repos quand nous récupérons. Le comportement reflète les variations de ce coût estimé et du compromis avec le bénéfice attendu. Grâce à la complémentarité de l’imagerie fonctionnelle par résonnance magnétique et de la magnétoencéphalographie (MEG), le coût estimé a été localisé dans les régions proprioceptives du cerveau : l’insula postérieure et le thalamus ventromédian. La MEG a également révélé que la désynchronisation du rythme beta moteur (13-30Hz) permet une reprise plus rapide de l’effort quand les enjeux sont importants. Cette gestion stratégique du repos est liée à l’utilité attendue qui peut être dissociée de l’utilité réelle. Nos résultats montrent que la gestion de l’effort est adaptée en ligne au coût estimé et modulée stratégiquement en fonction des coûts et bénéfices attendus. Les antalgiques (hypnose ou paracétamol) ont un effet limité sur ce processus, à l’inverse de la sérotonine (Escitalopram). Notre contribution, à l’interface entre médecine du sport, théorie de la décision et modèle d’accumulation utilisés en neurosciences, propose un mécanisme pour optimiser la gestion de l’effort physique en maximisant les gains et minimisant les dommages corporels.

No pain, no gain: optimal decisions involve a tradeoff between cost and benefit. We propose that in physical effort allocation, this tradeoff is unfolded over time. We present a task to investigate this process in the laboratory with healthy humans and we suggest a computational model to account for decisions to stop and resume the effort. Costs increase during exertion, due to fatigue at all stages of the motor command and decrease during rest, due to recovery. We show that this dynamic may be captured by a cost-evidence variable and compared to the expected benefit. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) and magnetoencephalography (MEG) complementarily showed that cost-evidence may be implemented in proprioceptive regions of the brain: posterior insula and ventro-medial thalamus. In addition, MEG showed that motor beta (13-30 Hz) desynchronization mediates the effect of incentives to hasten effort resumption. This strategic invigoration of rest is supported by a behavioral dissociation: the expected utility (not the actual utility) modulates rest durations. Together, our results support that the behavior is adapted on the fly to cost-evidence levels and that this mechanism is modulated strategically according to the expected cost and benefit. This behavior was not affected by pain killers (hypnosis or paracetamol), but by serotonin (Escitalopram). This work bridges a gap between sport medicine, value-based decision-making and accumulation models in neuroscience in showing that accumulation and dissipation of cost-evidence can guide the optimization of effort allocation: this mechanism implements the maximization of benefit while the body costs are minimized.