Décrypter le fonctionnement de la mémoire dans le cerveau – au niveau des cellules individuelles

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Disons que vous rencontrez un vieil ami à la gare. Elle se trouve à environ un mètre devant vous et sur les rails à votre droite, un train circule dans la gare. 

Derrière votre ami, vous voyez une boulangerie. Nous nous souvenons souvent de ces scènes avec des détails saisissants. Mais ce que nous faisons exactement en formant des images mentales est depuis longtemps un mystère.

De nombreux chercheurs assimilent le rappel d’une personne d’un épisode de leur vie (mémoire épisodique) à la ré-expérience de l’événement original. Ce qui n’est pas clair, c’est comment ce processus pourrait être réalisé dans le cerveau, au niveau de cellules cérébrales uniques (neurones). Maintenant, notre nouvelle étude, publiée dans eLife , a proposé une suggestion.

Il est possible de mesurer l’activité de cellules cérébrales uniques. Des expériences avec des rongeurs ont montré que certaines cellules sont actives chaque fois qu’un animal se trouve à un endroit particulier de l’environnement. Ces «cellules de lieu» représentent donc la position d’un animal dans un environnement donné.

De même, d’autres cellules cérébrales se déclenchent chaque fois qu’il y a une limite environnementale – comme les murs d’une pièce – à une certaine distance et dans la direction de l’animal. Ces découvertes nous ont donné des indices sur la manière dont les relations spatiales sont représentées dans le cerveau. Lorsque vous rencontrez votre ami à la gare, les cellules de votre cerveau qui représentent votre position par rapport à la gare doivent être actives. De même, d’autres cellules signaleraient la présence «d’objets» (comme votre ami, la boulangerie et le train) à des distances et des directions données de vous. Pourtant, d’autres cellules signalent l’identité de ces éléments. Cependant, on ne sait pas comment toutes ces cellules pourraient fonctionner de concert pour réaliser les processus mentaux impliqués dans la perception, la mémorisation et même l’imagination des événements de la vie.

Sur un plan plus abstrait, tous ces éléments – votre ami, la boulangerie et le train – et leur disposition spatiale forment collectivement ce que les psychologues appellent une «scène». Le terme «construction de scènes» désigne tous les processus mentaux impliqués dans la perception, la mémorisation et même l’imagination des scènes. Ainsi, savoir comment les différentes cellules fonctionnent ensemble permettrait de comprendre ces notions abstraites au niveau des cellules individuelles.

La zone du cerveau connue sous le nom d’hippocampe est connue depuis longtemps pour être cruciale pour la mémoire. Cependant, les patients présentant des lésions hippocampiques auraient également des difficultés à imaginer des scènes spatiales cohérentes, ce qui suggère que l’imagination d’expériences spatiales est liée à la mémoire. Par la suite, les scanners cérébraux ont montré que l’imagination de nouvelles expériences et le rappel de souvenirs impliquent des zones cérébrales qui se chevauchent.

Les techniques d’imagerie cérébrale, cependant, identifient généralement les zones du cerveau qui peuvent contenir des millions de cellules, comprenant de nombreux réseaux individuels représentant potentiellement des informations différentes. Il est donc difficile de savoir comment les réseaux individuels de cellules se comportent sur la base de scanners cérébraux.

Mémoire de modélisation

Notre objectif était de rassembler toutes les preuves au niveau des neurones simples et de les utiliser pour modéliser l’encodage et le rappel de scènes contenant des éléments significatifs (par exemple, votre ami à la gare). Pour ce faire, nous avons assigné des rôles spécifiques à un grand nombre de cellules spatialement sélectives (telles que les cellules de lieu), les reliant toutes via des connexions synaptiques dans le modèle.

Le cas où des cellules cérébrales spatialement sélectives sont impliquées dans la mémoire a déjà été fait, mais leur rapport à notre expérience a révélé une divergence intéressante. Les cellules spatialement sélectives représentent les éléments d’une scène par rapport à la scène elle-même. Autrement dit, les cellules cérébrales spatialement sélectives codent pour notre emplacement et pour les emplacements des éléments de la scène en termes «centrés sur le monde». Pour simplifier, nous pouvons comparer ce cadre de référence aux directions de la boussole – le train étant au sud-est de la boulangerie car cela est vrai, indépendamment de notre position et de notre orientation.

Cependant, notre expérience spatiale directe telle que nous percevons une scène est de nature «égocentrique». C’est-à-dire que nous percevons le train comme étant à notre droite et notre ami comme étant en avance sur nous-mêmes. Alors, comment les neurones à l’intérieur et à proximité de l’hippocampe peuvent-ils représenter les limites et les objets environnementaux dans un format centré sur le monde lorsque nous mémorisons une scène?

La mémorisation de la disposition d’une scène en termes centrés sur le monde a l’avantage de n’avoir besoin que de mémoriser un ensemble d’informations connexes – par exemple, le train se trouve au sud-est de la boulangerie, sur notre gauche en fonction de la façon dont nous sommes confrontés).

Transformation des représentations neurales

Notre modèle montre que cette transformation (de l’égocentrique au centré sur le monde) pourrait être réalisée par un autre réseau de neurones spatialement sélectifs. Les neurones représentant l’emplacement des objets dans le cadre de référence égocentrique (en avant, à gauche et à droite) conduiraient des cellules dans le réseau de transformation, ce qui activerait les cellules qui constituent les représentations centrées sur le monde. Le renforcement des connexions entre ces dernières cellules correspond alors à la mise en mémoire dans le stockage à long terme.

De manière cruciale, ce circuit de transformation agirait également en sens inverse – les neurones qui codent les mémoires à long terme pourraient réactiver les cellules qui représentaient les emplacements des objets en termes égocentriques. En d’autres termes, un événement original pourrait être ré-expérimenté ultérieurement. Le modèle de mémoire implémente donc une forme d’imagerie, où les cellules qui étaient à l’origine pilotées par la perception au moment de l’événement d’origine sont ensuite réactivées de la mémoire. Fait important, le contenu exact de la reconstruction dépend du cap imaginé. Si le circuit de transformation activait des cellules représentant le train se trouvant à votre gauche au lieu de votre droite, nous imaginerions faire face au sud et non au nord.

Le modèle nous a permis de simuler des lésions cérébrales chez l’homme et chez les rongeurs, en étudiant différents aspects de l’amnésie. Par exemple, une lésion du circuit de transformation peut nous empêcher de rappeler une mémoire. Il est intéressant de noter que notre modèle suggère que la mémoire est techniquement encore présente dans et près de l’hippocampe, mais que le sujet serait incapable d’en reconstruire une image mentale.

Bien qu’il soit trop tôt pour simuler des maladies spécifiques telles que la maladie d’Alzheimer, le modèle peut fournir un bon point de départ pour déterminer comment des lésions cérébrales diffuses couvrant plusieurs zones cérébrales dotées de fonctions distinctes et différentes cellules sélectives pourraient affecter la cognition.

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