Des ensembles de neurones fonctionnent en synchronisation pour suivre le « temps » et le « lieu », donnant ainsi aux humains le contexte du passé, du présent et du futur.

Deux études menées par des chercheurs de l’UCLA offrent de nouvelles perspectives sur la manière dont les neurones du cerveau humain représentent le temps et l’espace, les ingrédients les plus fondamentaux de la conscience de l’existence humaine et les principales dimensions de l’expérience qui nous permettent de reconstruire le passé et d’envisager l’avenir.

Les nouvelles découvertes sont basées sur des enregistrements de l’activité de neurones uniques dans le cerveau, issus d’études dirigées par le Dr Itzhak Fried, neurochirurgien et chercheur à la faculté de médecine UCLA David Geffen, auteur principal de deux articles dans Rapports de cellules. Les patients qui avaient subi la pose chirurgicale d’électrodes de profondeur spéciales développées et implantées par Fried pour le traitement chirurgical de l’épilepsie incurable ont accepté d’effectuer des tâches cognitives pendant que l’activité de leurs cellules cérébrales était enregistrée pour ces études.

Les neurones qui agissent comme le système GPS du cerveau, appelés « cellules de lieu » et « cellules de grille » – ont été découverts initialement chez les rongeurs, des découvertes similaires décrites plus tard chez les humains par Fried et ses collègues de l’UCLA en collaboration avec le Dr Michael Kahana, professeur de psychologie à l’Université de Los Angeles. l’Université de Pennsylvanie et co-auteur principal de l’une des nouvelles études. Les cellules de l’horloge du cerveau, ou « cellules temporelles », ont été identifiées ces dernières années.

Dans l’une des nouvelles études, les chercheurs ont cherché à déterminer comment le cerveau suit simultanément l’espace et le temps.

“Pour apporter une réponse, nos patients ont joué à un jeu de navigation chronométré dans lequel ils alternaient entre la recherche et la récupération de l’or dans une mine d’or virtuelle”, a expliqué Fried.

Les chercheurs, dont le premier auteur, le Dr Daniel Schonhaut et le co-auteur, le Dr Zahra Aghajan, ont été les premiers à identifier des « cellules temporelles » qui s’activent pendant les périodes d’attente entre les périodes de recherche et les périodes de récupération des patients. Ces cellules temporelles « au repos » s’activeraient les unes après les autres, comme si chacune était chargée de compter une seconde différente, tout au long de la période d’attente.

Pendant la navigation dans le jeu, des « cellules de lieu » distinctes sont apparues à mesure que les participants se dirigeaient vers des emplacements spécifiques dans la mine virtuelle, avec un nouvel ensemble de « cellules de temps » apparaissant à des moments particuliers pendant la navigation.

“Lorsque les patients alternaient entre la recherche de l’or – une phase d’apprentissage – et la recherche de l’or – la récupération – les cellules de lieu restaient inchangées, tirant aux mêmes endroits, tandis que les cellules temporelles changeaient. Ainsi, alors que les contextes temporels et spatiaux sont représentés conjointement dans le cerveau, ce sont des dimensions dissociables ou séparables au niveau des neurones », a déclaré Kahana.

“Il s’agit de la première étude démontrant la coexistence de cellules temporelles et spatiales dans le cerveau humain”, a ajouté Fried. “Ensemble, ces classes neuronales constituent une base biologique pour la carte cognitive du contexte spatio-temporel que nous proposons et qui comprend l’échafaudage sur lequel les souvenirs sont écrits.”

Dans la deuxième étude, les chercheurs voulaient comprendre comment le cerveau garde une trace du temps pendant une période prolongée – un épisode unique et continu – comme lorsque les gens regardent un film sans interruption.

Ils se demandaient si les neurones s’activeraient périodiquement – ​​à intervalles de temps récurrents – de la même manière que certains neurones spatiaux se déclenchent à intervalles spatiaux lorsqu’un rongeur ou un humain se déplace dans un environnement. Dans des situations spatiales, un ensemble spécifique de cellules liées à l’espace dans le cortex entorhinal du cerveau forme une carte de l’environnement en forme de grille, où différentes échelles exprimées en cadences de déclenchement modulées fournissent une métrique, ou une mesure, de l’espace à différentes distances.

Pour déterminer si la « périodicité » présente dans les échelles spatiales peut également être observée sur l’axe du temps, les chercheurs ont montré à 14 patients neurochirurgicaux un film d’une heure tout en enregistrant l’activité d’un seul neurone provenant de plusieurs régions du cerveau. L’examen des cadences de tir a révélé que certaines unités présentaient une périodicité frappante dans leurs tirs au cours du film, et l’échelle de temps de cette périodicité variait d’une unité à l’autre, allant de plusieurs dizaines de secondes à plusieurs minutes.

Fried a déclaré que les chercheurs ont été surpris de trouver cet ensemble unique de neurones, principalement dans le cortex entorhinal, qui modulaient leur activité d’une manière si étonnamment périodique sur des échelles de temps allant jusqu’à quelques minutes.

“Le temps passé dans la vidéo pourrait être décodé à partir de l’activité de cette population de neurones”, a déclaré Zahra Aghajan, première auteure de l’étude, également co-écrite par le Dr Gabriel Kreiman, professeur à la Harvard Medical School. “La capacité d’extraire des informations temporelles précises et localisées de cette population de cellules montre que leur activité périodique constitue un mécanisme viable pour coder le temps.”

Lorsque les participants ont passé un test de mémoire après avoir visionné le film, de nombreuses cellules temporelles ont modifié leur timing dominant vers des échelles de temps plus courtes, ce qui suggère que ces cellules pourraient jouer un rôle dans la compression temporelle de l’expérience nécessaire à la récupération de la mémoire. Pourtant, la relation entre ces cellules et les performances de la mémoire devra être explorée dans le cadre de recherches plus approfondies.

Les chercheurs ont observé que lorsque la vidéo était présentée à deux vitesses différentes – régulière et accélérée – un pourcentage important de ces cellules temporellement périodiques, ou TPC, maintenaient leurs échelles de temps dominantes, suggérant un certain degré de régularité quel que soit le contenu audiovisuel.

“Nos résultats suggèrent que la périodicité temporelle des TPC peut compléter la périodicité spatiale des cellules de la grille, fournissant ainsi des mesures évolutives pour l’espace et le temps et permettant l’encodage et la récupération de l’expérience humaine”, a déclaré Fried.