Involvement of the neurocognitive dimensions in the maintenance of physical effort through the role of the prefrontal cortex and the cost/benefit perspective

Description

The prefrontal cortex (PFC), usually known for its involvement in higher cognitive control, appears to be particularly involved in maintaining physical effort. While this involvement suggests the existence of a psychological component in the ability to tolerate and maintain exercise, the underlying neurocognitive mechanisms remain relatively unknown. Recent theoretical proposals speculate that exercise termination is determined by a decision-making process, controlled by the PFC. The integration and conscious evaluation of the costs (i.e., unpleasant feelings of fatigue) and benefits (e.g., rewards), associated with the physical task, would control this decision. Maintaining an effort would be facilitated when estimated benefits increase or perceived costs decrease. However, how cognitive functioning and the PFC may modulate the integration of this information to support a decision to continue exercise remains to be clarified. The level of attention given to costs and benefits could play a role in this process. In addition, the unpleasant sensations of fatigue would be limited via an inhibitory function implemented at the level of the PFC. The objective of this doctoral work was to clarify the involvement of the neurocognitive dimensions and in particular of the PFC in the integration and processing of costs and benefits likely to modulate maintaining an effort. The results of study 1 failed to reveal the involvement of the PFC through the engagement of its inhibitory cognitive function in physical endurance. However, the results of studies 2, 3 and 4 indicated that the orientation of attention, more or less directed towards the costs or the benefits, modulated the endurance performance and the activity of the regions of the PFC involved in the integration and regulation of this information. Attention focused on monetary benefits improved performance compared to a focus on the costs of the effort or a cognitive distraction task. The focus on costs and benefits led to increased activity in the anterior and inferior regions of the PFC involved in interpreting this information (study 3). In addition, performing a cognitive distraction task delayed the decision to stop the exercise and resulted in decreased inhibitory activity in prefrontal regions that may regulate exercise costs (study 2). These results suggest the ability of attention to delay exercise cessation by facilitating the conscious integration of benefits (through focusing on that information) and disrupting that of costs (through cognitive distraction). It also tends to emphasize the involvement of the PFC in the regulation of perceived costs and the processing of costs and benefits associated with endurance effort. In a relatively contradictory way, a focus on costs did not necessarily lead to an earlier cessation of the effort (compared to a cognitive distraction condition) but to an improvement in muscular endurance in individuals with the best aerobic capacities (study 4). Facilitating the conscious integration of the costs of the effort would thus prove favorable in maintaining the exercise in certain individuals. The results of this work reinforce the idea that neurocognitive processes are involved in maintaining physical effort. Identifying attentional strategies that could facilitate engaging in physical activity and exercise pursuit in different populations is an interesting research perspective, particularly in sedentary individuals for whom physical activity represents a real health issue.

Abstract (French)

Le cortex préfrontal (CPF), habituellement connu pour son implication dans le contrôle cognitif supérieur, apparaît particulièrement impliqué dans le maintien de l'effort physique. Si cette implication suggère l'existence d'une composante psychologique dans la capacité à tolérer et maintenir l'exercice, les mécanismes neurocognitifs sous-jacents demeurent relativement méconnus. Des propositions théoriques récentes envisagent que l'arrêt de l'exercice soit déterminé par un processus décisionnel contrôlé par le CPF. L'intégration et l'évaluation consciente des coûts (i.e, sensations désagréables de fatigue) et des bénéfices (e.g., récompenses) associés à la tâche d'effort conditionneraient cette décision. Le maintien de l'effort serait dynamisé lorsque les bénéfices estimés augmentent ou que les coûts perçus diminuent. Toutefois, la manière dont le fonctionnement cognitif et le CPF pourraient moduler l'intégration de ces informations pour favoriser une décision orientée vers la poursuite de l'exercice reste à clarifier. Le niveau d'attention accordée aux coûts et aux bénéfices jouerait un rôle dans ce processus. De plus, les sensations désagréables de fatigue seraient limitées via une fonction inhibitrice implémentée au niveau du CPF. L'objectif de ce travail doctoral était de préciser l'implication des dimensions neurocognitives et notamment du CPF dans l'intégration et le traitement des coûts et des bénéfices susceptibles de moduler le maintien de l'effort. Les résultats de l'étude 1 n'ont pas permis de révéler l'implication du CPF dans l'endurance physique via l'engagement de sa fonction cognitive d'inhibition. Toutefois, les résultats des études 2, 3 et 4 ont indiqué que l'orientation de l'attention, plus ou moins dirigée vers les coûts ou les bénéfices, modulait les performances d'endurance et l'activité des régions du CPF impliquées dans l'intégration et la régulation de ces informations. Une focalisation de l'attention sur les bénéfices monétaires a amélioré les performances comparativement à une focalisation sur les coûts de l'effort ou à une tâche de distraction cognitive. Les focalisations sur les coûts et les bénéfices ont induit une intensification de l'activité des régions antérieures et inférieures du CPF impliquées dans l'interprétation de ces informations (étude 3). De plus, la réalisation d'une tâche de distraction cognitive a repoussé la décision d'arrêter l'exercice et a entrainé une diminution de l'activité inhibitrice de régions préfrontales susceptibles de réguler les coûts de l'effort (étude 2). Cette partie de nos résultats suggère la capacité de l'attention à repousser l'arrêt de l'exercice en favorisant l'intégration consciente des bénéfices (via une focalisation vers ces informations) et en perturbant celle des coûts (via une distraction cognitive). Elle tend aussi à souligner l'implication du CPF dans la régulation des coûts perçus et le traitement des coûts et des bénéfices associés à l'effort d'endurance. De manière relativement contradictoire, une focalisation sur les coûts n'a pas nécessairement conduit à un arrêt plus précoce de l'effort (comparativement à une condition de distraction cognitive) mais à une amélioration de l'endurance musculaire chez les individus disposant des meilleures capacités aérobies (étude 4). Faciliter l'intégration consciente des coûts de l'effort s'avérerait ainsi favorable au maintien de l'exercice chez certains individus. Les résultats de ce travail renforcent l'idée d'une implication des processus neurocognitifs dans le maintien de l'effort physique. Chercher à identifier les stratégies attentionnelles favorisant l'engagement dans l'exercice physique et le maintien de l'effort chez différentes populations constitue une perspective de recherche intéressante, notamment chez des individus sédentaires pour qui la pratique physique représente un réel enjeu de santé.

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