Flexibility in value-based decision-making

par Caroline Isabelle Jahn

Thèse de doctorat en Interdisciplinaire

Sous la direction de Sébastien Bouret et de Mark Walton.

Soutenue le 11-06-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Philippe Faure.

Le jury était composé de Sébastien Bouret, Mark Walton, Philippe Faure, Emmanuel Procyk, Fadila Hadj-Bouziane, Jill O'Reilly, Jérôme Sallet.

Les rapporteurs étaient Philippe Faure, Emmanuel Procyk.

  • Titre traduit

    Flexibilité comportementale dans la prise de décision basée valeur


  • Résumé

    La capacité d'évaluer son environnement et de prendre des décisions adaptées est cruciale pour la survie. En effet, la plupart des environnements auxquels nous sommes confrontés sont incertains et changent dans le temps, et nécessitent donc une adaptation constante du comportement. Les mécanismes comportementaux et neurobiologiques permettant de se faire sont encore majoritairement inconnus. Le but de cette thèse était d'affiner notre compréhension de ces mécanismes dans le domaine des choix basés valeur, en utilisant une description quantitative du comportement, l’analyse d'enregistrements électrophysiologiques et une manipulation pharmacologique chez le singe. Nous avons concentré notre étude sur la contribution des systèmes neuromodulateurs catécholaminergiques : la dopamine et la noradrénaline, car ces deux systèmes seraient impliqués dans l'encodage de certains aspects de la motivation incitative et de l’adaptation du comportement, bien que leurs rôles précis demeurent encore méconnus. Premièrement, nous avons comparé l'activité des neurones dopaminergiques et noradrénergiques dans une tâche de compromis effort-récompense. L’activité différentielle de ces deux populations démontre que ces deux systèmes ont des rôles distincts dans la promotion et l'adaptation du comportement. Leurs réponses à différentes caractéristiques de la tâche et événements suggèrent qu’ils jouent un rôle complémentaire dans la promotion de l'exploitation d'une opportunité actuelle de récompense. Deuxièmement, nous avons utilisé une approche pharmacologique pour étudier le rôle causal du système noradrénergique dans la motivation et la flexibilité comportementale. Nous avons mis en évidence un rôle critique de la noradrénaline dans la production de force et la modulation de la sensibilité à la valeur dans les choix, qui constitue une forme de flexibilité comportementale. Ces résultats suggèrent que la noradrénaline pourrait être critique pour faire face à des situations difficiles de deux manières complémentaires: en modulant la volatilité comportementale, ce qui faciliterait l'adaptation en fonction de la labilité de l'environnement, et en modulant la mobilisation des ressources physiques. Enfin, nous avons montré que les singes pouvaient déployer de manière adaptative cette forme spécifique de flexibilité, que nous avons appelée exploration basée sur la récompense, lors de l'exploration de leur environnement pour obtenir des informations. Nous avons isolé une autre forme d'exploration basée sur le choix de l'option la plus incertaine, que nous avons appelée exploration basée sur l'incertitude. Nous avons montré que les deux types d'exploration se déployaient conjointement lorsque l'information était disponible et utile. Nous avons proposé que ces deux stratégies exploratoires pourraient être soutenus par des systèmes neurobiologiques spécifiques, comprenant les systèmes noradrénergiques et dopaminergiques respectivement. Dans son ensemble, cette thèse offre un aperçu de la capacité des singes à adapter de façon flexible leur comportement lorsqu'ils prennent des décisions basées valeur, et propose des rôles distincts pour les systèmes catécholaminergiques au sein de circuits spécifiques supportant cette capacité.


  • Résumé

    The ability to evaluate one's environment and make adaptive decisions is crucial for survival. Indeed, most environments that we are faced with are uncertain and dynamic, and therefore require constantly adapting one's behaviours. How organisms manage to do so both at the behavioural and neurobiological levels is still largely unknown. The goal of this thesis was to refine our understanding of these mechanisms in the value-based domain using a combination of quantitative description of the behaviour, electrophysiological recordings and pharmacological manipulation in monkeys. We focused our work on the contribution of the catecholaminergic neuromodulatory systems: dopamine and noradrenaline. Both systems are known to be involved in encoding aspects of incentive motivation and adaptive behaviour but their precise roles remain elusive. First, we evaluated the distinct contribution of dopaminergic and noradrenergic neurons in an effort-reward trade-off task. We showed that the activity of both populations support differential roles for dopamine and noradrenaline in promoting and adapting the behaviour. Their complementary responses to different features and events suggest that dopamine and noradrenaline play complimentary roles in driving the behaviour towards or away from exploiting a current opportunity for reward. Second, we used a pharmacological approach to investigate the causal role of noradrenaline in both motivation and behavioural flexibility. We revealed its critical implication in modulating the force produced and the sensitivity to value in choices, a form of behavioural flexibility. Together, these results support a role for noradrenaline in facing challenging situations in two complementary ways: by modulating behavioural volatility, which would facilitate adaptation depending on the lability of the environment, and by modulating the mobilization of resources to face immediate challenges. Finally we showed that monkeys could adaptively use this specific form of flexibility, that we called reward-based exploration, when they explored their environment to gain information. We isolated an additional form of exploration based on the choice of the most uncertain option, that we called uncertainty-based exploration. We showed that both types of exploratory strategies were conjunctively deployed when information was available and useful. We proposed that they could be supported by specific neurobiological system including the noradrenergic and dopaminergic systems respectively. Overall, this thesis provides insights into the ability of monkeys to flexibly adapt their behaviour when making value-based decisions and proposes distinct roles for the catecholaminergic systems - within specific circuits - in supporting this ability.


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