Les modèles du contrôle exécutif et du cortex préfrontal accordent une place grandissante au signal de récompense dans la prise de décision. La dopamine pourrait jouer un rôle clé en signalant l'écart entre la récompense reçue et celle qui était prédite (erreur de prédiction de la récompense).<br />Nous avons combiné les méthodes de psychophysique, d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), et de tomographie par émission de positons (TEP) avec un antagoniste des récepteurs dopaminergiques D2/D3 (11C-raclopride) afin d'étudier chez l'homme les mécanismes de l'apprentissage d'une séquence motrice guidé par la récompense. L'IRMf nous a permis d'analyser en détail la dynamique de cet effort mental, impliquant un réseau préfrontal, pariétal et striatal distribué qui s'activait rapidement durant les périodes de recherche de séquences par essais et erreurs et s'effondrait durant les périodes suivantes de répétition routinière. Cet effondrement pouvait être conduit par un processus de déduction élémentaire préalable à la réception de la récompense (autoévaluation).<br />De plus, certaines sous-régions de ce réseau étaient particulièrement engagées dans le traitement de paramètres statistiques de la récompense (l'erreur de prédiction et la quantité d'information).<br />Parallèlement, nous avons développé une méthode récente d'évaluation dynamique de la libération de dopamine in vivo en TEP, et avons montré que la libération de dopamine augmentait bilatéralement au sein du striatum ventral et du noyau caudé durant la tâche de recherche. Afin de valider ces observations et d'évaluer la sensibilité de cette méthode, nous avons mis en oeuvre un paradigme TEP standard (mesure du « binding potential » du raclopride). Celui-ci nous a en outre permis de mesurer une corrélation entre la libération de dopamine dans le striatum ventral droit et les valeurs comportementales des sujets. Ces résultats sont en accord avec l'hypothèse d'un rôle de la dopamine striatale dans l'apprentissage guidé par la récompense chez l'homme.<br />Pour la première fois à notre connaissance, l'emploi combiné de l'IRMf et du marquage des récepteurs dopaminergiques en TEP nous a ainsi permis de considérer à la fois la dynamique de l'activation cérébrale et la « neurochimie cognitive » dans une situation d'effort mental et d'apprentissage guidés par la récompense.

Background: Performing aerobic exercise and maintaining high levels of aerobic fitness may have positive effects on both brain structure and function in older adults. Despite decades of research however, there is still a rather poor understanding of the neurocognitive mechanisms explaining the positive effects of aerobic exercise on cognition. Changes in prefrontal gray matter as well as dopaminergic neurotransmission in striatum are both candidate neurocognitive mechanisms. The main aims of this thesis are: 1. To investigate the effects of aerobic exercise and fitness on cognition and magnetic resonance imaging (MRI) derived gray matter volumes using data from a 6 month physical exercise intervention in older adults (Study I). 2. To simulate the effect of atrophy in longitudinal positron emission tomography (PET) which could pose a challenge to interpreting changes in longitudinal PET imaging (Study II). 3. To study the influence of aerobic exercise and fitness on the dopamine D2-receptor (D2R) system in striatum using [11C]raclopride PET as a potential mechanism for improved cognition (Study III). Results: In Study I, aerobic exercise was found to improve cognitive performance in a broad, rather than domain-specific sense. Moreover, aerobic fitness was related to prefrontal cortical thickness, and improved aerobic fitness over 6 months was related to increased hippocampal volume. In Study II, we identified areas in the striatum vulnerable to the effect of shrinkage, which should be considered in longitudinal PET imaging. Finally, in Study III, the effect of being aerobically fit, and improving fitness levels was found to impact dopaminergic neurotransmission in the striatum, which in turn mediated fitness-induced improvements in working memory updating performance. Conclusion: The findings in this thesis provide novel evidence regarding the neurocognitive mechanisms of aerobic exercise-induced improvements in cognition, and impacts the interpretation of longitudinal PET imaging. Performing aerobic exercise and staying aerobically fit at an older age have positive effects on cognition and brain systems important for memory and cognition. Specifically, fitness-induced changes to the dopaminergic system stands out as one novel neurocognitive mechanism explaining the positive effects of aerobic fitness on working-memory performance in healthy older adults.