Dans le cerveau au repos, une étude indique que les neurones répètent leurs expériences futures

Certains rêves peuvent en fait prédire l’avenir : de nouvelles recherches ont montré que pendant le sommeil, certains neurones non seulement rejouent le passé récent, mais anticipent également l’expérience future.

Cette découverte fait partie d'une série d'informations fournies par une étude sur le sommeil et l'apprentissage publiée dans Nature par une équipe de chercheurs de l’Université Rice et de l’Université du Michigan. La recherche offre une vision sans précédent de la façon dont les neurones individuels de l'hippocampe des rats stabilisent et ajustent les représentations spatiales pendant les périodes de repos après la première course des animaux dans un labyrinthe.

“Certains neurones se déclenchent en réponse à des stimuli spécifiques”, a déclaré Kamran Diba, professeur agrégé d'anesthésiologie au Michigan et auteur correspondant de l'étude. “Les neurones du cortex visuel s'activent lorsqu'on leur présente le stimulus visuel approprié. Les neurones que nous étudions montrent des préférences de localisation.”

En collaboration avec des collaborateurs du Neural Circuits and Memory Lab dirigé par Diba, le neuroscientifique de Rice, Caleb Kemere, a étudié le processus par lequel ces neurones spécialisés produisent une représentation du monde après une nouvelle expérience. Plus précisément, les chercheurs ont suivi des ondulations brusques, un modèle d'activation neuronale connu pour jouer un rôle dans la consolidation de nouveaux souvenirs et, plus récemment, il a également été démontré qu'il marque quelles parties d'une nouvelle expérience doivent être stockées en tant que souvenirs.

“Pour la première fois dans cet article, nous avons observé comment ces neurones individuels stabilisent les représentations spatiales pendant les périodes de repos”, a déclaré Kemere, professeur agrégé de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie à Rice.

Le sommeil est essentiel à la mémoire et à l'apprentissage. La science a quantifié cette intuition séculaire en mesurant les performances aux tests de mémoire après une sieste plutôt qu'après une période d'éveil ou même de privation de sommeil.

Il y a une vingtaine d'années, les scientifiques ont également découvert que les neurones du cerveau des animaux endormis qui avaient été autorisés à explorer un nouvel environnement juste avant de se reposer se déclenchaient de manière à rejouer les trajectoires des animaux au cours de l'exploration.

Cette découverte concorde avec la connaissance selon laquelle le sommeil aide les nouvelles expériences à se cristalliser en souvenirs stables, suggérant ainsi que les représentations spatiales de bon nombre de ces neurones spécialisés dans l'hippocampe sont stables pendant le sommeil. Cependant, les chercheurs voulaient voir s’il y avait plus à dire sur l’histoire.

“Nous avons imaginé que certains neurones pourraient changer leurs représentations, reflétant l'expérience que nous avons tous vécue en nous réveillant avec une nouvelle compréhension d'un problème”, a déclaré Kemere. “Pour montrer cela, il fallait toutefois suivre la manière dont les neurones individuels parviennent à un réglage spatial, c'est-à-dire le processus par lequel le cerveau apprend à naviguer dans une nouvelle route ou un nouvel environnement.”

Les chercheurs ont entraîné des rats à courir d'avant en arrière sur une piste surélevée avec une récompense liquide à chaque extrémité et ont observé comment les neurones individuels de l'hippocampe des animaux « augmentaient » au cours du processus. En calculant un taux de pointe moyen sur plusieurs tours, les chercheurs ont pu estimer le champ de localisation des neurones, ou la zone de l'environnement dont un neurone donné « se souciait » le plus.

“Le point critique ici est que les champs de lieux sont estimés en utilisant le comportement de l'animal”, a déclaré Kemere, soulignant le défi d'évaluer ce qui arrive aux champs de lieux pendant les périodes de repos lorsque l'animal ne se déplace pas physiquement dans le labyrinthe.

“Je réfléchis depuis longtemps à la façon dont nous pouvons évaluer les préférences des neurones en dehors du labyrinthe, comme pendant le sommeil”, a déclaré Diba. “Nous avons relevé ce défi en reliant l'activité de chaque neurone à l'activité de tous les autres neurones.”

C'est là l'innovation clé de l'étude : les chercheurs ont développé une approche d'apprentissage automatique statistique qui utilisait les autres neurones étudiés pour estimer l'endroit où l'animal rêvait d'être. Ils ont ensuite utilisé ces positions rêvées pour estimer le processus de réglage spatial de chaque neurone de leurs ensembles de données.

“La capacité de suivre les préférences des neurones même sans stimulus a constitué une avancée importante pour nous”, a déclaré Diba.

Diba et Kemere ont félicité Kourosh Maboudi, chercheur postdoctoral au Michigan et auteur principal de l'étude, pour son rôle dans le développement de l'approche de réglage appris.

La méthode a confirmé que les représentations spatiales qui se forment lors de l’expérience d’un nouvel environnement sont, pour la plupart des neurones, stables pendant plusieurs heures de sommeil post-expérience. Mais comme les chercheurs l’avaient prévu, l’histoire ne s’arrête pas là.

“Ce que j'ai le plus aimé dans cette recherche et la raison pour laquelle j'étais si enthousiasmé, c'est de découvrir que pendant le sommeil, la seule chose que font ces neurones n'est pas nécessairement de stabiliser un souvenir de l'expérience”, a déclaré Kemere. . “Il s'avère que certains neurones finissent par faire autre chose.

“Nous pouvons observer ces autres changements se produire pendant le sommeil, et lorsque nous remettons les animaux dans l'environnement une seconde fois, nous pouvons valider que ces changements reflètent réellement quelque chose qui a été appris pendant que les animaux dormaient. C'est comme si la deuxième exposition l'espace se produit pendant que l'animal dort. »

Ceci est important car cela constitue une observation directe de la neuroplasticité telle qu’elle se produit pendant le sommeil. Kemere a souligné que presque toutes les recherches sur la plasticité, qui examinent les mécanismes permettant aux neurones de se recâbler et de former de nouvelles représentations, examinent ce qui se passe pendant les périodes d'éveil lorsque des stimuli sont présentés plutôt que pendant le sommeil, lorsque les stimuli pertinents sont absents.

“Il semble que la plasticité ou le recâblage du cerveau nécessite des échelles de temps très rapides”, a déclaré Diba, soulignant la relation fascinante entre la durée de l'expérience réelle, “qui peut prendre quelques secondes, minutes, mais aussi heures ou jours”, et de vrais souvenirs, “qui sont super compressés”.

“Si vous vous souvenez de quelque chose, le souvenir est instantané”, a déclaré Diba, faisant référence à un célèbre passage littéraire de l'écrivain moderniste français Marcel Proust dans lequel un souvenir d'enfance ressuscite tout un monde perdu d'expériences passées en un instant.

L’étude est un exemple des avancées en neurosciences permises au cours des dernières décennies par les progrès technologiques dans la conception de sondes neuronales stables et à haute résolution ainsi que par la puissance de calcul basée sur l’apprentissage automatique.

À la lumière de ces progrès, Kemere a déclaré que la science du cerveau est sur le point de faire des progrès significatifs à l'avenir, tout en exprimant en même temps son inquiétude quant à l'impact des récentes coupes budgétaires sur la poursuite de la recherche.

“Il est fort possible que si nous avions commencé ce travail aujourd'hui, nous n'aurions pas pu faire ces expériences et obtenir ces résultats”, a déclaré Kemere. “Nous sommes vraiment reconnaissants que l'opportunité se soit présentée.”