Des protéines motrices nanoscopiques dans le cerveau construisent les structures physiques de la mémoire, selon une étude

Le mystère de la mémoire intrigue les philosophes et les intellectuels depuis très longtemps. Platon et Aristote pensaient que la mémoire se trouvait uniquement dans le domaine de l’âme et de l’esprit, mais qu’elle n’avait rien de corporel ou de physique. La mémoire est étroitement liée à notre sens de soi et à nos expériences subjectives, mais il existe des processus physiques associés à la mémorisation.

Les analogies modernes comparent volontiers la mémoire d’un ordinateur à celle du cerveau, où l’activité des cellules cérébrales appelées neurones est comparée aux codes binaires des modèles de champ magnétique stockés sur un disque dur. Cependant, les appareils informatiques ne changent pas en fonction de l’exécution de leur travail, contrairement aux neurones.

Le stockage et le traitement des souvenirs font appel à des protéines motrices nanoscopiques appelées kinésines qui déplacent les matériaux dans les neurones pour construire le code structurel de la mémoire. Ces travailleurs nanoscopiques « marchent » en alternant les pas sur de longues pistes moléculaires pour livrer les matériaux.

Depuis 20 ans, les neuroscientifiques, dont je fais partie, utilisent une technologie de microscopie de pointe sur des animaux vivants pour observer des structures microscopiques appelées épines dendritiques qui bourgeonnent, se transforment et régressent constamment sur les dendrites des neurones.

Les épines dendritiques sont les endroits où les neurones établissent des contacts avec d’autres neurones et créent des circuits électriques dans tout le cerveau. La plasticité des épines dendritiques, comme on appelle ce changement de forme des dendrites, est plus que le mouvement aléatoire des structures neuronales dans le cerveau.

Des épines bourgeonnantes pour stocker de nouveaux souvenirs

Dans notre étude récemment publiée dans Rapports de cellulesil a été démontré que le degré de plasticité des épines dendritiques est fortement corrélé aux performances de mémoire des animaux de notre laboratoire. Nous avons appris à des souris à craindre un son inoffensif en les électrocutant à chaque fois que le son était joué ; puis, nous avons appris aux souris à surmonter la même peur en présentant le même son à plusieurs reprises dans une situation inoffensive.

Après deux jours, le degré de peur, indiqué par la durée d’immobilité des souris, représente les performances de la mémoire. Plus le nombre d’épines dendritiques qui bourgeonnent sur les neurones est élevé, moins la durée pendant laquelle elles restent figées est longue.

De même, les scientifiques ont découvert que la mémoire motrice, comme l’indique la durée pendant laquelle les souris peuvent courir sur une tige rotative après un entraînement, est également corrélée au nombre d’épines dendritiques en bourgeonnement sur les neurones.

Lorsque ces épines dendritiques nouvellement formées sont grattées à l’aide d’une technologie sophistiquée appelée optogénétique, les souris perdent leur mémoire motrice et se comportent comme si elles n’avaient pas du tout été entraînées.

Ces données ont un impact considérable sur notre compréhension de la manière dont la mémoire est stockée. Au-delà de l’activité tout ou rien d’un neurone entier, les traces structurelles de la mémoire sont formées par les motifs de structures microscopiques appelées épines dendritiques sur les neurones.

Livraison de cargaisons moléculaires aux épines

Cette découverte a soulevé un autre défi : comment les neurones savent-ils où, précisément, sur leurs branches, « construire » ces codes de mémoire ? Ces emplacements doivent être précis car ils correspondent à des points de contact avec différents neurones pour former des circuits neuronaux pertinents pour différentes expériences.

Étant donné que la plupart des matériaux cellulaires sont synthétisés dans le corps cellulaire, il doit y avoir un transporteur pour acheminer les matériaux dans les neurones afin de parvenir à la construction précise des codes mémoire.

Dans notre étude, nous avons émis l’hypothèse que la kinésine était utilisée pour fournir des matériaux moléculaires permettant de « construire » des épines dendritiques. Pour le prouver, nous avons marqué des cargaisons moléculaires transportées par la kinésine avec des marqueurs fluorescents, afin de pouvoir suivre le mouvement de la kinésine au microscope. Grâce à cette technologie de microscopie de pointe, nous avons pu suivre le mouvement de la kinésine dans le cerveau avant et après avoir créé et supprimé la peur chez les souris.

Nous avons également retiré génétiquement les kinésines d’un autre groupe de souris pour comprendre si la fonction de la kinésine était effectivement nécessaire à la formation du code mémoire des épines dendritiques. Nous avons constaté que chez les souris normales atteintes de kinésine, il fallait plusieurs heures au lieu de quelques minutes pour que la kinésine se déplace vers un endroit spécifique des dendrites, où les épines dendritiques peuvent bourgeonner. Si la kinésine était retirée du cerveau, les cargaisons moléculaires marquées présentaient un mouvement réduit et, par conséquent, le nombre d’épines dendritiques formées était complètement altéré et la stabilité de celles formées était considérablement entravée.

Sans kinésine, les souris ne pouvaient pas apprendre ni former correctement leur mémoire dans notre étude.

Comprendre la mémoire

C’est la première fois que le processus de formation du code de mémoire structurelle a été visualisé, identifiant la kinésine comme le transporteur permettant la construction des épines dendritiques suite à une expérience d’apprentissage pour construire le code structurel de la mémoire dans le cerveau vivant. Ce code de mémoire structurelle peut fournir une dimension encore plus complexe que le codage binaire de l’information.

Une meilleure compréhension et une cartographie potentielle de ces codes structurels des épines dendritiques à grande échelle dans le cerveau pourraient ouvrir de nouvelles voies pour manipuler les fonctions de mémoire dans les conditions médicales.

Cet article est republié par The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.