Cortex préfrontal

En anatomie cérébrale des mammifères , le cortex préfrontal ( CPF ) recouvre la partie antérieure du lobe frontal du cerveau humain . Il s'agit du cortex associatif du lobe frontal. Cette région est responsable du traitement et de l'adaptation de la pensée afin d'atteindre certains objectifs dans différentes situations. Ces processus de pensée permettent notamment au cerveau de se concentrer, de contrôler son comportement et de prendre différentes décisions.

Le PFC contient les zones de Brodmann BA8 , BA9 , BA10 , BA11 , BA12 , BA13 , BA14 , BA24 , BA25 , BA32 , BA44 , BA45 , BA46 et BA47 .

Cette région cérébrale est impliquée dans un large éventail de fonctions cognitives supérieures, notamment la formation du langage ( aire de Broca ), le regard ( champs oculaires frontaux ), la mémoire de travail ( cortex préfrontal dorsolatéral ) et le traitement du risque (par exemple, cortex préfrontal ventromédian ). L'activité de base de cette région cérébrale est considérée comme l'orchestration des pensées et des actions en fonction des objectifs internes. De nombreux auteurs ont mis en évidence un lien intrinsèque entre la volonté de vivre, la personnalité et les fonctions du cortex préfrontal.

Cette région cérébrale est impliquée dans les fonctions exécutives , telles que la planification , la prise de décision , la mémoire de travail , l'expression de la personnalité, la modération du comportement social et le contrôle de certains aspects de la parole et du langage. Les fonctions exécutives concernent les capacités à différencier les pensées contradictoires, à déterminer ce qui est bon et mauvais, meilleur et optimal, identique et différent, les conséquences futures des activités actuelles, à travailler à un objectif défini, à prédire les résultats, à formuler des attentes basées sur les actions et à exercer un « contrôle » social (la capacité à réprimer les pulsions qui, si elles n'étaient pas réprimées, pourraient conduire à des résultats socialement inacceptables).

Le cortex frontal prend en charge l'apprentissage de règles concrètes, tandis que les régions plus antérieures prennent en charge l'apprentissage de règles à des niveaux d'abstraction plus élevés. Le cortex préfrontal est la partie antérieure du lobe frontal.

Il existe trois manières possibles de définir le cortex préfrontal :

• comme le cortex frontal granulaire
• comme zone de projection du noyau dorsal médian du thalamus
• comme cette partie du cortex frontal dont la stimulation électrique ne provoque pas de mouvements

Le cortex préfrontal a été défini, sur la base de la cytoarchitectonique , par la présence d'une couche granulaire corticale IV . L'origine de ce critère reste incertaine. De nombreux chercheurs pionniers en cytoarchitectonique ont restreint l'usage du terme « préfrontal » à une région corticale beaucoup plus petite, incluant le gyrus rectus et le gyrus rostralis ( Campbell , 1905 ; G.E. Smith , 1907 ; Brodmann , 1909 ; von Economo et Koskinas , 1925). En 1935, Jacobsen a cependant utilisé le terme « préfrontal » pour distinguer les aires préfrontales granulaires des aires motrices et prémotrices agranulaires. En termes d'aires de Brodmann, le cortex préfrontal comprend traditionnellement les aires 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 24, 25, 32, 44, 45, 46 et 47. Cependant, toutes ces aires ne sont pas strictement granulaires : l'aire 44 est dysgranulaire, les aires caudale 11 et orbitaire 47 sont agranulaires. Le principal problème de cette définition est qu'elle ne fonctionne correctement que chez les primates , et non chez les non-primates, car ces derniers sont dépourvus de la couche granulaire IV. Dans une étude récente, des scientifiques ont stimulé l'amygdale chez des singes et ont observé l'activation des cortex auditif et préfrontal, un phénomène similaire à celui observé chez l'humain.

Définir le cortex préfrontal comme la zone de projection du noyau médiodorsal du thalamus s'appuie sur les travaux de Rose et Woolsey , qui ont montré que ce noyau projette vers les régions antérieures et ventrales du cerveau chez les non-primates. Cependant, Rose et Woolsey ont nommé cette zone de projection « orbitofrontale ». Il semble que ce soit Akert qui, en 1964, ait explicitement suggéré que ce critère pouvait être utilisé pour définir des homologues du cortex préfrontal chez les primates et les non-primates . Ceci a permis d'établir des homologies malgré l'absence d'un cortex frontal structuré chez les non-primates.

La définition de la zone de projection reste largement acceptée aujourd'hui (par exemple, Fuster ), bien que son utilité ait été remise en question . Des études modernes de traçage des voies neuronales ont montré que les projections du noyau médiodorsal du thalamus ne se limitent pas au cortex frontal granulaire chez les primates. En conséquence, il a été proposé de définir le cortex préfrontal comme la région corticale présentant des connexions réciproques plus fortes avec le noyau médiodorsal qu'avec tout autre noyau thalamique . Uylings et al. reconnaissent toutefois que, même avec l'application de ce critère, il peut s'avérer difficile de définir le cortex préfrontal de manière univoque.

Une troisième définition du cortex préfrontal le désigne comme la région du cortex frontal dont la stimulation électrique n'entraîne pas de mouvements observables. Par exemple, en 1890, David Ferrier utilisait ce terme dans ce sens. Cette définition présente toutefois une difficulté : le cortex frontal électriquement « silencieux » comprend à la fois des aires granulaires et non granulaires.

Selon Striedter, le cortex préfrontal humain peut être divisé en deux régions fonctionnellement, morphologiquement et évolutivement différentes : le cortex préfrontal ventromédian (vmPFC) composé de :

1. le cortex préfrontal ventral (VPFC)
2. le cortex préfrontal médian présent chez tous les mammifères (MPFC)

et le cortex préfrontal latéral (LPFC), composé de :

1. le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC)
2. le cortex préfrontal ventrolatéral (VLPFC) présent uniquement chez les primates .

Le cortex préfrontal latéral (LPFC) comprend les aires de Brodmann BA8 , BA9 , BA10 , BA45 , BA46 et BA47 . Certains chercheurs y incluent également l'aire BA44 . Le cortex préfrontal ventromédian (vmPFC) comprend les aires de Brodmann BA12 , BA25 , BA32 , BA33 , BA24 , BA11 , BA13 et BA14 .

Le tableau ci-dessous présente différentes façons de subdiviser les parties du cortex préfrontal humain en fonction des aires de Brodmann.

• Le cortex préfrontal dorsolatéral est composé des BA8 , BA9 , BA10 et BA46 .
• Le cortex préfrontal ventrolatéral est composé des aires BA45 , BA47 et BA44 .
• Le cortex préfrontal médian (mPFC) est composé de BA12 , BA25 et du cortex cingulaire antérieur : BA32 , BA33 , BA24 . Dans cette zone se trouve le nexus dorsal , qui interconnecte de nombreuses parties du cerveau.
• Le cortex préfrontal ventral est composé des aires BA11 , BA13 et BA14 . (Voir aussi la définition du cortex orbitofrontal .)
• Le cortex préfrontal dorsolatéral contient BA8 , y compris les champs oculaires frontaux .
• Le cortex préfrontal ventrolatéral contient BA45 qui fait partie de l'aire de Broca . Certains chercheurs incluent également BA44, l'autre partie de l'aire de Broca.

Le cortex préfrontal est fortement interconnecté avec une grande partie du cerveau, notamment avec d'autres régions corticales, sous-corticales et du tronc cérébral. Le cortex préfrontal dorsal est particulièrement interconnecté avec les régions cérébrales impliquées dans l'attention, la cognition et l'action, tandis que le cortex préfrontal ventral est interconnecté avec les régions cérébrales impliquées dans les émotions. Le cortex préfrontal reçoit également des informations des systèmes d'éveil du tronc cérébral, et sa fonction dépend fortement de son environnement neurochimique. Il existe donc une coordination entre l'état d'éveil et l'état mental. L'interaction entre le cortex préfrontal et le système socio-émotionnel du cerveau est importante pour le développement de l'adolescent, comme le propose le modèle des deux systèmes .

Le cortex préfrontal médian est impliqué dans la génération du sommeil à ondes lentes (SOL), et l'atrophie préfrontale est associée à une diminution du SOL. L'atrophie préfrontale survient naturellement avec l'âge, et il a été démontré que les personnes âgées présentent des troubles de la consolidation de la mémoire à mesure que leur cortex préfrontal médian se dégrade. Chez les personnes âgées, au lieu d'être transférées et stockées dans le néocortex pendant le SOL, les souvenirs commencent à rester dans l' hippocampe où ils ont été encodés , comme en témoigne l'activation hippocampique accrue par rapport aux jeunes adultes lors de tâches de rappel , lorsque les sujets apprenaient des associations de mots, dormaient, puis devaient se rappeler les mots appris.

Le cortex préfrontal ventrolatéral (CPFVL) est impliqué dans divers aspects de la production de la parole et de la compréhension du langage. Le CPFVL est richement connecté à différentes régions cérébrales, notamment les lobes temporaux latéral et médian, le cortex temporal supérieur, le cortex inférotemporal, le cortex périrhinal et le cortex parahippocampique . Ces aires cérébrales sont impliquées dans la récupération et la consolidation de la mémoire, le traitement du langage et l'association des émotions. Ces connexions permettent au CPFVL de moduler la récupération de la mémoire explicite et implicite et de l'intégrer aux stimuli linguistiques afin de contribuer à la planification d'un discours cohérent . En d'autres termes, le choix des mots justes et le maintien de la pertinence du propos lors d'une conversation relèvent du CPFVL.

Les études initiales de Fuster et de Goldman-Rakic ​​ont mis en évidence la capacité fondamentale du cortex préfrontal à représenter des informations absentes de l'environnement immédiat, et le rôle central de cette fonction dans la création du « bloc-notes mental ». Goldman-Rakic ​​a expliqué comment ces connaissances représentationnelles étaient utilisées pour guider intelligemment la pensée, l'action et les émotions, notamment en inhibant les pensées, distractions, actions et sentiments inappropriés . Ainsi, la mémoire de travail peut être considérée comme fondamentale pour l'attention et l'inhibition comportementale. Fuster explique comment cette capacité préfrontale permet l'intégration du passé et du futur, autorisant des associations intertemporelles et intermodales dans la création de cycles perception-action orientés vers un but . Cette capacité de représentation sous-tend toutes les autres fonctions exécutives supérieures. Le cortex préfrontal est responsable de nombreuses fonctions exécutives, telles que la mémorisation, la flexibilité cognitive et le contrôle inhibiteur. Bien que le cortex préfrontal remplisse ces fonctions, il ne les assume pas seul, car d'autres régions cérébrales jouent également un rôle important. Par exemple, l’amygdale envoie des signaux à la zone du cortex préfrontal connue sous le nom de 46d afin de permettre à l’individu de comprendre la situation et de déterminer comment réagir.

Shimamura a proposé la théorie du filtrage dynamique pour décrire le rôle du cortex préfrontal dans les fonctions exécutives . Le cortex préfrontal est supposé agir comme un mécanisme de filtrage de haut niveau qui amplifie les activations orientées vers un but et inhibe les activations non pertinentes. Ce mécanisme de filtrage permet un contrôle exécutif à différents niveaux de traitement, notamment la sélection, le maintien, la mise à jour et le réacheminement des activations. Il a également été utilisé pour expliquer la régulation émotionnelle.

Miller et Cohen ont proposé une théorie intégrative du fonctionnement du cortex préfrontal, s'appuyant sur les travaux initiaux de Goldman-Rakic ​​et Fuster. Selon cette théorie, « le contrôle cognitif découle du maintien actif de schémas d'activité dans le cortex préfrontal, schémas qui représentent les objectifs et les moyens de les atteindre. Ces schémas fournissent des signaux de polarisation à d'autres structures cérébrales, dont l'effet net est de guider le flux d'activité le long des voies neuronales qui établissent les correspondances appropriées entre les entrées, les états internes et les sorties nécessaires à l'exécution d'une tâche donnée » . En résumé, ils postulent que le cortex préfrontal guide les entrées et les connexions, permettant ainsi le contrôle cognitif de nos actions.

Le cortex préfrontal joue un rôle crucial dans le traitement descendant de l'information . Par définition, ce traitement se produit lorsque le comportement est guidé par des états internes ou des intentions. Selon les auteurs, « le cortex préfrontal est essentiel lorsque les correspondances entre les entrées sensorielles, les pensées et les actions sont soit peu établies par rapport à d'autres correspondances existantes, soit en constante évolution » . Le test de tri de cartes du Wisconsin (WCST) en est un exemple . Les participants doivent trier des cartes selon leur forme, leur couleur ou le nombre de symboles qui y figurent. L'idée est que chaque carte peut être associée à plusieurs actions et qu'aucune correspondance stimulus-réponse unique ne sera valable. Les sujets humains présentant des lésions du cortex préfrontal parviennent à trier les cartes lors des premières étapes simples, mais en sont incapables lorsque les règles de classification changent.

Miller et Cohen concluent que les implications de leur théorie permettent d'expliquer le rôle du cortex préfrontal dans le contrôle des actions cognitives. Selon leurs propres termes, les chercheurs affirment que, « en fonction de leur cible, les représentations dans le cortex préfrontal peuvent fonctionner de diverses manières : comme des modèles attentionnels, des règles ou des objectifs, en fournissant des signaux de biais descendants à d'autres régions du cerveau qui guident le flux d'activité le long des voies nécessaires à l'exécution d'une tâche ».

Les données expérimentales indiquent un rôle du cortex préfrontal dans la médiation de la physiologie normale du sommeil, des rêves et des phénomènes de privation de sommeil.

Lorsqu'on analyse et qu'on réfléchit aux attributs d'autres individus, le cortex préfrontal médian est activé ; cependant, il ne l'est pas lorsqu'on contemple les caractéristiques d'objets inanimés.

Des études utilisant l'IRMf ont montré que le cortex préfrontal médian (mPFC), et plus précisément le cortex préfrontal médian antérieur (amPFC), pourrait moduler le comportement de mimétisme. Les neuroscientifiques suggèrent que l'amorçage social influence l'activité et le traitement de l'information dans l'amPFC, et que cette région du cortex préfrontal module les réponses et les comportements de mimétisme.

Des recherches récentes, menées grâce à des techniques de neuro-imagerie, ont montré que le cortex préfrontal, en plus des ganglions de la base , est impliqué dans l'apprentissage par exemples. Ce processus s'inscrit dans le cadre de la théorie des exemples , l'un des trois principaux mécanismes de catégorisation de notre esprit. Cette théorie stipule que nous catégorisons les jugements en les comparant à une expérience passée similaire, stockée dans notre mémoire.

Une méta-analyse de 2014 réalisée par la professeure Nicole P. Yuan de l'Université d'Arizona a révélé qu'un volume plus important du cortex préfrontal et une plus grande épaisseur du cortex préfrontal étaient associés à de meilleures performances exécutives.

Une théorie largement acceptée concernant la fonction du cortex préfrontal cérébral est qu'il sert de lieu de stockage de la mémoire à court terme . Cette idée a été formulée pour la première fois par Jacobsen, qui a rapporté en 1936 que des lésions du cortex préfrontal chez les primates entraînaient des déficits de la mémoire à court terme . Karl Pribram et ses collègues (1952) ont identifié la partie du cortex préfrontal responsable de ce déficit comme étant l'aire 46 , également connue sous le nom de cortex préfrontal dorsolatéral (dlPFC) . Plus récemment, Goldman-Rakic ​​et ses collègues (1993) ont induit une perte de mémoire à court terme dans des régions spatiales localisées par inactivation temporaire de portions du dlPFC. Une fois le concept de mémoire de travail (voir aussi le modèle de Baddeley ) établi en neurosciences contemporaines par Alan Baddeley (1986), ces découvertes neuropsychologiques ont contribué à la théorie selon laquelle le cortex préfrontal assure la mémoire de travail et, dans certaines formulations extrêmes, uniquement la mémoire de travail. Dans les années 1990, cette théorie a rencontré un large succès et est devenue la théorie dominante de la fonction du cortex préfrontal, notamment chez les primates non humains. Le concept de mémoire de travail utilisé par les partisans de cette théorie se concentrait principalement sur le maintien à court terme de l'information, et moins sur la manipulation ou le contrôle de cette information, ou sur son utilisation pour la prise de décision. Conformément à l'idée que le cortex préfrontal fonctionne principalement dans la mémoire de maintien, l'activité pendant la période de délai dans le cortex préfrontal a souvent été interprétée comme une trace mnésique. (L'expression « activité pendant la période de délai » désigne l'activité neuronale qui suit la présentation transitoire d'un signal d'instruction et persiste jusqu'à un signal de déclenchement ultérieur.)

Pour explorer d'autres interprétations de l'activité du cortex préfrontal pendant la période de délai, Lebedev et al. (2004) ont étudié les fréquences de décharge de neurones préfrontaux individuels chez des singes qui se concentraient sur un stimulus marquant un emplacement tout en mémorisant un autre emplacement non marqué. Les deux emplacements servaient de cibles potentielles pour un mouvement oculaire saccadé . Bien que la tâche sollicitât fortement la mémoire à court terme, la plus grande proportion de neurones préfrontaux correspondait aux emplacements ciblés, et non à ceux mémorisés. Ces résultats ont montré que les fonctions de la mémoire à court terme ne peuvent expliquer la totalité, ni même la majeure partie, de l'activité pendant la période de délai dans la région du cortex préfrontal étudiée. Les auteurs ont suggéré que l'activité préfrontale pendant la période de délai contribue davantage au processus de sélection attentionnelle (et d'attention sélective ) qu'au stockage de la mémoire.

Différentes régions du cortex préfrontal sont impliquées dans de nombreuses fonctions essentielles à la production de la parole, à la compréhension du langage et à la planification des réponses avant la prise de parole. Les neurosciences cognitives ont démontré que le cortex préfrontal ventrolatéral gauche joue un rôle crucial dans le traitement des mots et des phrases.

Il a été démontré que le cortex préfrontal droit coordonne la récupération de la mémoire explicite nécessaire à la production du langage, tandis que la désactivation du cortex préfrontal gauche intervient dans la récupération de la mémoire implicite utilisée pour la formation des verbes. La remémoration des noms (mémoire explicite) est altérée chez certains patients amnésiques présentant des lésions du cortex préfrontal droit, mais la formation des verbes reste intacte grâce à sa dépendance à la désactivation du cortex préfrontal gauche.

De nombreux chercheurs incluent désormais l'aire de Brodmann 45 (BA45) dans le cortex préfrontal car, avec la BA44, elle forme l' aire de Broca , une zone du lobe frontal . L'aire de Broca est généralement considérée comme la zone de sortie de la voie de production du langage dans le cerveau (par opposition à l'aire de Wernicke , située dans le lobe temporal médian, qui est considérée comme la zone d'entrée du langage). Il a été démontré que la BA45 est impliquée dans la récupération des connaissances sémantiques pertinentes utilisées dans la conversation/la parole . Le cortex préfrontal latéral droit (RLPFC) est impliqué dans la planification des comportements complexes et, conjointement avec les BA45 bilatérales, il contribue au maintien de la concentration et de la cohérence lors de la production de la parole . Cependant, il a été montré que la BA45 gauche est activée de manière significative lors du maintien de la cohérence de la parole chez les jeunes. Les personnes âgées, quant à elles, sollicitent davantage la BA45 droite que les jeunes. Ceci concorde avec les preuves d’une diminution de la latéralisation dans d’autres systèmes cérébraux au cours du vieillissement.

De plus, il a été démontré que cette augmentation de l'activité des aires BA45 et RLPFC, combinée à celle de l'aire BA47 chez les patients âgés, contribue aux propos hors sujet. L'aire BA47 du cortex préfrontal est impliquée dans la récupération, guidée par le stimulus, de connaissances moins pertinentes que celles nécessaires à une conversation. Autrement dit, l'activation accrue de l'aire BA47, associée à une activité altérée de l'aire BA45 et du cortex préfrontal rostral (RLPFC) au sens large, contribue à l'inclusion d'informations moins pertinentes et à l'apparition de digressions hors sujet chez les sujets âgés.

Au cours des dernières décennies, les systèmes d'imagerie cérébrale ont permis de déterminer le volume des régions cérébrales et leurs connexions nerveuses. Plusieurs études ont montré une réduction du volume et des interconnexions des lobes frontaux avec d'autres régions cérébrales chez les patients atteints de troubles mentaux ; ceux soumis à des facteurs de stress répétés ; ceux qui consomment excessivement des contenus à caractère sexuel ; les personnes suicidaires ; les criminels ; les sociopathes ; et les personnes atteintes de saturnisme ; on pense qu'au moins certaines des capacités humaines à ressentir de la culpabilité ou du remords, et à interpréter la réalité , dépendent d'un cortex préfrontal fonctionnel. La complexité des circuits neuronaux et la fonction d'autorégulation du cortex préfrontal humain sont également associées à une plus grande sensibilité et à une intelligence supérieure chez l'humain, car le cortex préfrontal occupe chez l'humain un pourcentage du cerveau bien plus important que chez tout autre animal. On suppose que, comme le cerveau a triplé de taille au cours des cinq millions d'années d'évolution humaine, le cortex préfrontal a été multiplié par six.

Une étude sur les fonctions exécutives chez des personnes en bonne santé pratiquant une activité physique régulière a noté que les hémisphères gauche et droit du cortex préfrontal, séparés par la fissure longitudinale médiane , semblent devenir plus interconnectés en réponse à un exercice aérobique régulier. Deux revues d' études de neuro-imagerie structurelle indiquent que des améliorations marquées du volume de la matière grise préfrontale et hippocampique surviennent chez les adultes en bonne santé qui pratiquent une activité physique d'intensité modérée pendant plusieurs mois.

La consommation chronique d’alcool entraîne des altérations persistantes des fonctions cérébrales, notamment une altération de la capacité de prise de décision. Il a été démontré que le cortex préfrontal des alcooliques chroniques est vulnérable aux dommages oxydatifs à l’ADN et à la mort des cellules neuronales .

Le cas fondateur concernant la fonction du cortex préfrontal est sans doute celui de Phineas Gage , dont le lobe frontal gauche fut détruit lors d'un accident survenu en 1848, lorsqu'une barre de fer lui transperça le crâne. Selon la description classique, bien que Gage ait conservé une mémoire, une élocution et une motricité normales, sa personnalité changea radicalement : il devint irritable, colérique et impatient – ​​des traits de caractère qu'il ne manifestait pas auparavant – au point que ses amis disaient qu'il « n'était plus Gage » ; et, alors qu'il avait été auparavant un travailleur compétent et efficace, il devint par la suite incapable de mener à bien ses tâches. Cependant, une analyse attentive des sources primaires montre que les descriptions des changements psychologiques de Gage sont généralement exagérées par rapport à celles fournies par son médecin, le point le plus frappant étant que les changements décrits des années après sa mort sont bien plus marqués que tout ce qui a été rapporté de son vivant.

Des études ultérieures menées auprès de patients présentant des lésions préfrontales ont montré que ces patients verbalisaient les réponses sociales les plus appropriées dans certaines circonstances. Pourtant, dans la pratique, ils privilégiaient des comportements visant à obtenir une gratification immédiate, tout en sachant que les conséquences à long terme seraient contre-productives.

L'interprétation de ces données indique que non seulement les capacités de comparaison et de compréhension des conséquences à long terme sont ancrées dans le cortex préfrontal, mais que ce dernier (lorsqu'il fonctionne correctement) contrôle la capacité mentale de différer la gratification immédiate pour obtenir une gratification à plus long terme, plus avantageuse ou plus gratifiante. Cette aptitude à patienter est un élément clé du fonctionnement exécutif optimal du cerveau humain.

De nombreuses recherches actuelles sont consacrées à la compréhension du rôle du cortex préfrontal dans les troubles neurologiques. Des essais cliniques ont débuté avec certains médicaments qui améliorent la fonction du cortex préfrontal, notamment la guanfacine , qui agit via le récepteur adrénergique alpha-2A . Le canal HCN , cible en aval de ce médicament , est l'un des axes de recherche les plus récents en pharmacologie du cortex préfrontal.

Le terme « préfrontal », désignant une partie du cerveau, semble avoir été introduit par Richard Owen en 1868. Pour lui, l’aire préfrontale se limitait à la partie antérieure du lobe frontal (correspondant approximativement au pôle frontal). On suppose que son choix de terme était fondé sur l’ os préfrontal présent chez la plupart des amphibiens et des reptiles.

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  Animation, cortex préfrontal de l'hémisphère cérébral gauche (représenté en rouge)
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  vue de face
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  Vue latérale
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  Perspective médicale