Les rats ont une imagination, selon une nouvelle recherche

En tant qu’humains, nous vivons dans nos pensées : de la réflexion sur ce que nous allons préparer pour le dîner à la rêverie de nos dernières vacances à la plage. Aujourd’hui, des chercheurs du Janelia Research Campus du HHMI ont découvert que les animaux possèdent également une imagination.

Une équipe des laboratoires Lee et Harris a développé un nouveau système combinant réalité virtuelle et interface cerveau-machine pour sonder les pensées intérieures d’un rat.

Ils ont découvert que, comme les humains, les animaux peuvent penser à des endroits et à des objets qui ne se trouvent pas juste devant eux, en utilisant leurs pensées pour imaginer marcher vers un endroit ou déplacer un objet distant vers un endroit spécifique.

Comme les humains, lorsque les rongeurs découvrent des lieux et des événements, des modèles d’activité neuronale spécifiques sont activés dans l’hippocampe, une zone du cerveau responsable de la mémoire spatiale. La nouvelle étude révèle que les rats peuvent volontairement générer ces mêmes schémas d’activité et le faire pour se souvenir d’emplacements éloignés de leur position actuelle.

“Le rat peut en effet activer la représentation de lieux dans l’environnement sans y aller”, explique Chongxi Lai, postdoctorant aux laboratoires Harris et Lee et premier auteur d’un article décrivant les nouvelles découvertes. “Même si son corps physique est fixe, ses pensées spatiales peuvent se diriger vers un endroit très éloigné.”

Cette capacité à imaginer des lieux éloignés de sa position actuelle est fondamentale pour se souvenir des événements passés et imaginer des scénarios futurs possibles. Les nouveaux travaux montrent donc que les animaux, comme les humains, possèdent une forme d’imagination, selon les auteurs de l’étude.

“Imaginer est l’une des choses remarquables que les humains peuvent faire. Nous avons maintenant découvert que les animaux peuvent le faire aussi, et nous avons trouvé un moyen de l’étudier”, déclare Albert Lee, ancien chef de groupe chez Janelia et maintenant enquêteur du HHMI. au centre médical Beth Israel Deaconess.

Une nouvelle interface cerveau-machine

Le projet a débuté il y a neuf ans lorsque Lai est arrivé à Janelia en tant qu’étudiant diplômé avec l’idée de tester si un animal pouvait penser. Son conseiller, Tim Harris, chercheur principal de Janelia, a suggéré à Lai de descendre dans le couloir pour discuter avec Lee, dont le laboratoire avait des questions similaires.

Ensemble, les laboratoires ont travaillé pour développer un système permettant de comprendre ce que pensent les animaux : un « détecteur de pensée » en temps réel capable de mesurer l’activité neuronale et de traduire ce qu’elle signifie.

Le système utilise une interface cerveau-machine (IMC), qui établit une connexion directe entre l’activité cérébrale et un appareil externe. Dans le système de l’équipe, l’IMC établit un lien entre l’activité électrique de l’hippocampe du rat et sa position dans une arène de réalité virtuelle à 360 degrés.

L’hippocampe stocke des cartes mentales du monde impliquées dans le rappel des événements passés et l’imagination de scénarios futurs. Le rappel de la mémoire implique la génération de modèles d’activité hippocampique spécifiques liés à des lieux et à des événements. Mais personne ne savait si les animaux pouvaient contrôler volontairement cette activité.

L’IMC permet aux chercheurs de tester si un rat peut activer l’activité hippocampique pour simplement penser à un endroit dans l’arène sans y aller physiquement – ​​essentiellement, en détectant si l’animal est capable d’imaginer se rendre à cet endroit.

Sonder les pensées intérieures du rat

Une fois leur système développé, les chercheurs ont dû créer le « dictionnaire de pensées » qui leur permettrait de décoder les signaux cérébraux du rat. Ce dictionnaire compile à quoi ressemblent les modèles d’activité lorsque le rat fait l’expérience de quelque chose – dans ce cas, des endroits dans l’arène VR.

Le rat est exploité dans le système VR, conçu par Shinsuke Tanaka, postdoctorant au Lee Lab. Lorsque le rat marche sur un tapis roulant sphérique, ses mouvements sont traduits sur l’écran à 360 degrés. Le rat est récompensé lorsqu’il atteint son objectif.

Dans le même temps, le système BMI enregistre l’activité hippocampique du rat. Les chercheurs peuvent voir quels neurones sont activés lorsque le rat parcourt l’arène pour atteindre chaque objectif. Ces signaux constituent la base d’un IMC hippocampique en temps réel, l’activité hippocampique du cerveau étant traduite en actions sur l’écran.

Ensuite, les chercheurs déconnectent le tapis roulant et récompensent le rat pour avoir reproduit le modèle d’activité hippocampique associé à un emplacement cible. Dans cette tâche “Jumper”, du nom d’un film du même nom sorti en 2008, l’IMC traduit l’activité cérébrale de l’animal en mouvement sur l’écran de réalité virtuelle.

Essentiellement, l’animal utilise ses pensées pour naviguer vers la récompense en réfléchissant d’abord à l’endroit où il doit aller pour obtenir la récompense. Ce processus de pensée est quelque chose que les humains expérimentent régulièrement. Par exemple, lorsqu’on nous demande d’aller chercher des produits d’épicerie dans un magasin familier, nous pouvons imaginer les endroits que nous traverserons en cours de route avant même de quitter la maison.

Dans la deuxième tâche, la tâche « Jedi » – un clin d’œil à Star Wars – le rat déplace un objet vers un emplacement par la seule pensée. Le rat est fixé dans un lieu virtuel mais “déplace” un objet vers un objectif dans l’espace VR en contrôlant son activité hippocampique, comme une personne assise dans son bureau pourrait imaginer prendre une tasse à côté de la machine à café et la remplir de café. . Les chercheurs ont ensuite modifié l’emplacement de l’objectif, obligeant l’animal à produire des schémas d’activité associés au nouvel emplacement.

L’équipe a découvert que les rats peuvent contrôler leur activité hippocampique avec précision et flexibilité, de la même manière que les humains le font probablement. Les animaux sont également capables de maintenir cette activité hippocampique, en maintenant leurs pensées à un endroit donné pendant plusieurs secondes – un laps de temps similaire à celui pendant lequel les humains revivent des événements passés ou imaginent de nouveaux scénarios.

“Ce qui est étonnant, c’est la façon dont les rats apprennent à penser à cet endroit, et à aucun autre, pendant une très longue période, sur la base de notre notion, peut-être naïve, de la capacité d’attention d’un rat”, explique Harris.

La recherche montre également que l’IMC peut être utilisé pour sonder l’activité hippocampique, fournissant ainsi un nouveau système pour étudier cette importante région du cerveau. L’IMC étant de plus en plus utilisé en prothèse, ces nouveaux travaux ouvrent également la possibilité de concevoir de nouveaux dispositifs prothétiques basés sur les mêmes principes, selon les auteurs.

L’étude est publiée dans la revue Science.