Les « cellules temporelles » dans le cerveau sont essentielles à l'apprentissage complexe, selon une étude

La notion du temps est fondamentale dans la façon dont nous comprenons, mémorisons et interagissons avec le monde. Des tâches allant de tenir une conversation à conduire une voiture nous obligent à nous souvenir et à percevoir combien de temps les choses prennent – ​​un calcul complexe mais largement inconscient qui se déroule constamment sous la surface de nos pensées.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de santé de l'Utah ont découvert que, chez la souris, une population spécifique de « cellules temporelles » est essentielle à l'apprentissage de comportements complexes où le timing est essentiel. Comme la trotteuse d’une horloge, les cellules temporelles se déclenchent en séquence pour cartographier de courtes périodes de temps.

Mais les chercheurs ont découvert que les cellules temporelles ne sont pas qu'une simple horloge : à mesure que les animaux apprennent à distinguer des événements chronométrés différemment, le modèle d'activité des cellules temporelles change pour représenter chaque modèle d'événements différemment. Cette découverte pourrait à terme contribuer à la détection précoce de maladies neurodégénératives, telles que la maladie d'Alzheimer, qui affectent la perception du temps.

La nouvelle étude est publiée dans Neurosciences naturelles.

Code de la souris

En combinant une tâche d'apprentissage complexe basée sur le temps avec une imagerie cérébrale avancée, les chercheurs ont pu observer que les schémas d'activité des cellules temporelles devenaient plus complexes à mesure que les souris apprenaient.

Les chercheurs ont d’abord mis en place un essai dans lequel il était essentiel d’apprendre les différences dans le timing des événements. Pour obtenir une récompense, les souris ont dû apprendre à distinguer les modèles d’un stimulus olfactif à timing variable, comme si elles apprenaient une forme très simple de code Morse.

Avant et après l’apprentissage des souris, les chercheurs ont utilisé une microscopie de pointe pour observer le déclenchement de cellules temporelles individuelles en temps réel. Au début, leurs cellules temporelles répondaient de la même manière à chaque type de stimulus olfactif. Mais à mesure qu’elles apprenaient les schémas de stimulus à des rythmes différents, les souris ont développé différents schémas d’activité cellulaire temporelle pour chaque schéma d’événements.

Notamment, lors des essais où les souris se sont trompées, les chercheurs ont pu constater que leurs cellules temporelles s'étaient souvent déclenchées dans le mauvais ordre, ce qui suggère que la bonne séquence d'activité des cellules temporelles est essentielle pour effectuer des tâches temporelles.

“Les cellules temporelles sont censées être actives à des moments précis de l'essai”, a déclaré Hyunwoo Lee, Ph.D., chercheur postdoctoral en neurobiologie à la faculté de médecine Spencer Fox Eccles de l'Université de l'Utah et co-premier auteur de l'étude. . “Mais lorsque les souris ont commis des erreurs, cette activité sélective est devenue désordonnée.”

Pas seulement un chronomètre

Étonnamment, les cellules temporelles jouent un rôle plus complexe que le simple suivi du temps, a déclaré Erin Bigus, assistante de recherche diplômée en neurobiologie et co-premier auteur de l'étude. Lorsque les chercheurs ont temporairement bloqué l'activité de la région du cerveau qui contient les cellules temporelles, le cortex entorhinal médial (MEC), les souris pouvaient encore percevoir et même anticiper le timing des événements. Mais ils ne pouvaient pas apprendre à partir de zéro des tâches complexes liées au temps.

“Le MEC n'agit pas comme un simple chronomètre nécessaire pour suivre le temps dans des circonstances simples”, a déclaré Bigus. “Son rôle semble être d'apprendre ces relations temporelles plus complexes.”

Curieusement, des recherches antérieures sur le MEC ont révélé qu’il est également impliqué dans l’apprentissage d’informations spatiales et dans la construction de « cartes mentales ».

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont remarqué que les modèles d'activité cérébrale qui se produisent lors de l'apprentissage de tâches temporelles présentent certaines similitudes avec les modèles précédemment observés impliqués dans l'apprentissage spatial ; certains aspects des deux modèles persistent même lorsqu'un animal n'apprend pas activement.

Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, ces résultats suggèrent que le cerveau pourrait traiter l'espace et le temps de manière fondamentalement similaire, selon les chercheurs. “Nous pensons que le cortex entorhinal pourrait avoir un double objectif, agissant à la fois comme un odomètre pour suivre la distance et comme une horloge pour suivre le temps écoulé”, a déclaré James Heys, Ph.D., professeur adjoint de neurobiologie et auteur principal de l'étude. étude.

“Ce sont les premières zones du cerveau à être affectées par des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer. Nous souhaitons explorer si des tâches comportementales complexes pourraient constituer un moyen utile de détecter l'apparition précoce de la maladie d'Alzheimer”, a déclaré Heys.

Apprendre comment le cerveau traite le temps pourrait éventuellement aider à la détection de maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, affirment les chercheurs. La MEC est l'une des premières zones du cerveau touchées par la maladie d'Alzheimer, ce qui laisse entendre que des tâches de synchronisation complexes pourraient potentiellement être un moyen de détecter la maladie à un stade précoce.