Motivation determines multiple aspects of behavior, including action selection and energization of behavior. Several components of the underlying neural systems have been examined closely, but the ...specific role of the different neuromodulatory systems in motivation remains unclear. Here, we compare directly the activity of dopaminergic neurons from the substantia nigra pars compacta and noradrenergic neurons from the locus coeruleus in monkeys performing a task manipulating the reward/effort trade-off. Consistent with previous reports, dopaminergic neurons encoded the expected reward, but we found that they also anticipated the upcoming effort cost in connection with its negative influence on action selection. Conversely, the firing of noradrenergic neurons increased with both pupil dilation and effort production in relation to the energization of behavior. Therefore, this work underlines the contribution of dopamine to effort-based decision making and uncovers a specific role of noradrenaline in energizing behavior to face challenges.
La motivation regroupe l’ensemble des processus qui sous-tendent le comportement, en bref, pourquoi on fait ce que l’on fait ? Que ce soit en termes de choix entre plusieurs actions ou de quantité ...d’énergie dépensée pour une action donnée, les comportements du rapport entre les bénéfices attendus et les coûts escomptés. Au niveau cérébral, la motivation implique un certain nombre de structures clefs, comme les systèmes neuromodulateurs et le cortex préfrontal. En effet, ces structures sont atteintes dans de nombreuses maladies neurologiques (Parkinson) ou psychiatriques (dépression). Mais la contribution spécifique de ces structures aux processus motivationnels précis reste mal comprise. Par ailleurs, la régulation des comportements en fonction du rapport entre les apports et les dépenses énergétiques est essentielle pour appréhender le comportement des primates dans leur milieu naturel. Mieux comprendre les bases cérébrales de la motivation devrait donc nous aider à mieux comprendre le comportement de l’ensemble des primates. Notre travail de recherche vise à identifier les processus cérébraux impliqués dans la gestion du compromis entre la récompense (le but de l’action) et l’effort physique nécessaire à son obtention. Nous entrainons des singes (Macaca mulatta) dans des tâches simples où ils doivent produire un effort physique (serrer une pince) pour obtenir une récompense hydrique. Nous mesurons plusieurs variables comportementales (choix, temps de réaction, force exercée, expressions faciales) et végétatives (diamètre pupillaire). Une fois les singes entrainés, nous mesurons l’activité des neurones du cortex préfrontal, ainsi que celle des neurones à dopamine (DA) de la substance noire (SN) et des neurones à noradrénaline (NA) du locus coeruleus (LC). Nous évaluons par ailleurs le rôle des systèmes dopaminergiques (DA) et noradrénergiques (NA) en utilisant des traitements pharmacologiques (L-DOPA et Atomoxetine). Nous avons ainsi identifié les rôles spécifiques de plusieurs éléments clefs dans le contrôle de la motivation en fonction du compromis effort/récompense. Tout d’abord, nous montrons que les deux systèmes neuromodulateurs régulent l’engagement des singes en fonction d’informations sur la récompense et la difficulté. Nous confirmons le rôle de la DA dans les processus incitatifs, c’est-à-dire l’énergisation en fonction de la valeur du but. La NA aurait un rôle complémentaire, en favorisant la production d’effort en fonction de la difficulté attendue. Par ailleurs, nous montrons que le cortex préfrontal ventro-médian joue un rôle spécifique dans les processus d’évaluation en fonction de paramètres internes. Nos expériences futures viseront à comprendre les interactions fonctionnelles entre ces différentes structures cérébrales, et ainsi à mieux comprendre le comportement des primates.
Introduction
While several theories have highlighted the importance of the noradrenergic system for behavioral flexibility, a number of recent studies have also shown a role for noradrenaline in ...motivation, particularly in effort processing. Here, we designed a novel sequential cost/benefit decision task to test the causal influence of noradrenaline on these two functions in rhesus monkeys.
Methods
We manipulated noradrenaline using clonidine, an alpha-2 noradrenergic receptor agonist, which reduces central noradrenaline levels and examined how this manipulation influenced performance on the task.
Results
Clonidine had two specific and distinct effects: first, it decreased choice variability, without affecting the cost/benefit trade-off; and second, it reduced force production, without modulating the willingness to work.
Conclusions
Together, these results support an overarching role for noradrenaline in facing challenging situations in two complementary ways: by modulating behavioral volatility, which would facilitate adaptation depending on the lability of the environment, and by modulating the mobilization of resources to face immediate challenges.
Abstract
To survive in their complex environment, primates must integrate information over time and adjust their actions beyond immediate events. The underlying neurobiological processes, however, ...remain unclear. Here, we assessed the contribution of the ventromedial prefrontal cortex (VMPFC), a brain region important for value-based decision-making. We recorded single VMPFC neurons in monkeys performing a task where obtaining fluid rewards required squeezing a grip. The willingness to perform the action was modulated not only by visual information about Effort and Reward levels but also by contextual factors such as Trial Number (i.e., fatigue and/or satiety) or behavior in recent trials. A greater fraction of VMPFC neurons encoded contextual information, compared with visual stimuli. Moreover, the dynamics of VMPFC firing was more closely related to slow changes in motivational states driven by these contextual factors rather than rapid responses to individual task events. Thus, the firing of VMPFC neurons continuously integrated contextual information and reliably predicted the monkeys's willingness to perform the task. This function might be critical when animals forage in a complex environment and need to integrate information over time. Its relation with motivational states also resonates with the VMPFC's implication in the "default mode" or in mood disorders.
Abstract
The two catecholamines, noradrenaline and dopamine, have been shown to play comparable roles in behavior. Both noradrenergic and dopaminergic neurons respond to cues predicting reward ...availability and novelty. However, even though both are thought to be involved in motivating actions, their roles in motivation have seldom been directly compared. We therefore examined the activity of putative noradrenergic neurons in the locus coeruleus and putative midbrain dopaminergic neurons in monkeys cued to perform effortful actions for rewards. The activity in both regions correlated with engagement with a presented option. By contrast, only noradrenaline neurons were also (i) predictive of engagement in a subsequent trial following a failure to engage and (ii) more strongly activated in nonrepeated trials, when cues indicated a new task condition. This suggests that while both catecholaminergic neurons are involved in promoting action, noradrenergic neurons are sensitive to task state changes, and their influence on behavior extends beyond the immediately rewarded action.
Motivation determines multiple aspects of behavior, including action selection and energization of behavior. Several components of the underlying neural systems have been examined closely, but the ...specific role of the different neuromodulatory systems in motivation remains unclear. Here, we compare directly the activity of dopaminergic neurons from the substantia nigra pars compacta and noradrenergic neurons from the locus coeruleus in monkeys performing a task manipulating the reward/effort trade-off. Consistent with previous reports, dopaminergic neurons encoded the expected reward, but we found that they also anticipated the upcoming effort cost in connection with its negative influence on action selection. Conversely, the firing of noradrenergic neurons increased with both pupil dilation and effort production in relation to the energization of behavior. Therefore, this work underlines the contribution of dopamine to effort-based decision making and uncovers a specific role of noradrenaline in energizing behavior to face challenges.
The article Dual contributions of noradrenaline to behavioural flexibility and motivation written by Caroline I. Jahn, Sophie Gilardeau, Chiara Varazzani, Bastien Blain, Jerome Sallet, Mark E. ...Walton, Sebastien Bouret was originally published electronically on the publisher’s internet portal.
Choisir entre l'action ou l'inaction est peut-être le type de décision le plus critique auquel un animal peut faire face. Une formalisation simple de ces choix consiste à évaluer les bénéfices ...attendus (nourriture, argent par exemple) ainsi que les coûts (punitions, pertes de temps ou d'argent) associés à chaque action et d'optimiser le rapport entre récompenses reçues et coûts assumés. Notre motivation à s'engager dans une action donnée dépend donc de la valeur de ce rapport. Dans le domaine de l'économie comportementale, l’optimisation de ce rapport bénéfices/coûts constitue le principe fondamental qui régule et explique le comportement des individus. Dans mes travaux de thèse, j'ai réalisé une implémentation de ces concepts venant de l'économie comportementale en utilisant une forme expérimentalement quantifiable de coûts: l'effort physique. Dans notre vie de tous les jours, si l'on nous demande de choisir entre deux options rapportant les même bénéfices mais demandant différents efforts (par exemple, travailler 3 ou 7 jours par semaine pour le même salaire), nous choisissons habituellement l'option qui nécessite la plus petite dépense d'énergie, en optant donc pour le moindre effort. Néanmoins, l'effort physique a été beaucoup moins étudié en comparaison à d'autres formes de coûts comme le fait de différer la récompense ou d'en augmenter l'incertitude. Le présent travail de recherche a donc pour but de mettre en lumière les bases neurales de la balance récompense / effort dans la prise de décision. Comprendre comment l'effort affecte la dévaluation des potentielles récompenses a un intérêt particulier pour la prise de décisions économiques mais aussi pour la clinique, étant donné que la diminution de la capacité à accepter d'avoir à exercer un effort est un symptôme-clé de nombreuses pathologies comme l'apathie ou la dépression. Nous faisons l’hypothèse que de tels désordres pourraient résulter de deux différents processus comportementaux: (a) une diminution de la sensibilité aux bénéfices futurs et/ou (b) une sensibilité excessive aux coûts potentiels. Ainsi, lorsqu'interrogés sur les raisons pour lesquelles ils ne veulent pas aller au cinéma regarder un film qu'ils apprécient, les patients apathiques peuvent déclarer que (a) le film n'est pas assez bon (soit une plus faible réponse à la valeur attendue), (b) le cinéma est trop loin (soit une plus forte sensibilité à l'effort anticipé). Afin de tester ces hypothèses, nous avons enregistré l'activité de neurones chez le singe pendant des tâches comportementales. Nous avons trouvé que d'une part, la dopamine encode la valeur de l'action future et oriente le comportement vers l'option demandant le moindre effort. D'autre part, la noradrénaline permet à l'individu de faire face à l'effort à venir en réduisant la sensibilité à l'anticipation de l'effort. En utilisant une approche pharmacologique, nous avons démontré que lorsque le niveau de noradrénaline est augmenté, les singes exercent d'avantage d'effort. En outre, nous avons montré que les potentiels locaux de champ dans le cortex pré-frontal ventro-médian, enregistrés dans une tâche comportementale identique, sont modulés par la valeur attendue et prédisent le choix du singe. En résumé, ce travail permet de départager en partie les circuits neuronaux impliqués dans le calcul de la balance récompense / effort, principalement encodée par les neurones dopaminergiques et dans les potentiels locaux de champ au niveau du cortex pré-frontal ventro-médian. Enfin, ce travail souligne le rôle de la noradrénaline dans la mobilisation de l'énergie d'un individu afin de faire face au défi que représente l'effort physique.
There is perhaps no more critical factor for the behaviour of an animal than the way it chooses between action and inaction. A simple way to formalise such choices is to evaluate the predicted benefit (e.g. food, money) and costs (e.g. punishments, losses, delays) associated with each action and optimise the rates at which rewards are received and costs avoided. Our motivation to perform a given action depends upon such value ratio. In the current behavioural economics literature, the optimisation of the benefits/costs ratio stands as the fundamental principle that regulates and explains agents’ behaviour. In my Ph.D. studies, I implement a realistic model of such concepts from behavioural economics by using an empirical type of cost: physical effort. In our everyday life, if we are asked to choose between two options that imply the same reward but different efforts (e.g., working 3 or 7 days per week for the same salary), we usually opt for the alternative that requires the slightest energy expenditure, thus the least effort. However, physical effort has been far less studied compared to other decision costs such as delay or uncertainty. The present Ph.D. work aims at highlighting the neuronal bases of such reward/effort tradeoff. Understanding how effort cost affects the discounting of potential rewards has a clear significance for economic decisions and clinics, since the reduced willingness to exert effort is a key signature of several clinical disorders such as apathy and depression We suggest that disorders such as apathy could result from two different behavioural processes: (a) a decreased responsiveness to future benefits and/or (b) an excessive sensitivity to potential costs. For instance, when asked why they would not go see a movie they like, patients may say that (a) the movie is not good enough (i.e. low responsiveness to expected value) or that (b) the theatre is too far away (i.e. high sensitivity to anticipated effort). To test our hypothesis, we combined behavioural tasks and pharmacological approach with neuron recordings in monkeys, targeting specifically two majors actors of the rewarding and effort system, dopamine and noradrenaline. We found that dopamine and noradrenaline have distinct but complementary roles. On the one hand, dopamine tracks the reward value of future outcomes and orient the behaviour towards the least effortful options. On the other hand, noradrenaline enables subjects to face the effort at hand, reducing the sensitivity to anticipated effort. Using a pharmacological approach, we found that, when we increase noradrenaline, monkeys exerted significantly more effort. Moreover, we have found that local field potentials in the ventromedial prefrontal cortex recorded in the same task encode the expected value and predict action selection. In summary, this Ph.D. work allows to disentangle some of the neuronal circuits implicated in the computation of the reward/effort tradeoff, mainly encoded by dopaminergic neurons and in the local field potential of the ventromedial prefrontal cortex. On the other hand, this work highlights the role of noradrenaline in the energization of behaviour to face the challenge represented by the physical effort.
Behavioural science for sustainable tourism Varazzani, Chiara; Sullivan-Paul, Michaela; Tuomaila, Henrietta
OECD working papers on public governance,
06/2023
Journal Article
This working paper explores the use of behavioural science for promoting environmentally sustainable tourism. It looks at how to use behavioural science to encourage sustainable behaviour, targeting ...both the consumers and suppliers of tourism activities and services. It concludes with recommendations for planning and implementing a tourism recovery strategy that prioritises both economic and environmental sustainability.
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