Les scientifiques découvrent un cadre dans le cerveau pour organiser l'ordre des choses

Des scientifiques de l'Institut Kavli pour les neurosciences des systèmes de NTNU en Norvège ont découvert un modèle d'activité dans le cerveau qui sert de modèle pour construire des expériences séquentielles.

“Je crois que nous avons trouvé l'un des prototypes du cerveau permettant de construire des séquences”, déclare le professeur Edvard Moser. Il décrit le modèle d’activité comme « un algorithme fondamental intrinsèque au cerveau et indépendant de l’expérience ».

La découverte révolutionnaire a été publiée dans Nature.

La capacité d’organiser les éléments en séquences est une fonction biologique fondamentale essentielle à notre survie. Sans cela, nous ne pourrions pas communiquer, suivre le temps, trouver notre chemin ou même nous souvenir de ce que nous sommes en train de faire. Le monde cesserait de se présenter à nous sous forme d’expériences significatives, car chaque événement serait fragmenté en une série erratique d’événements aléatoires.

La découverte par les chercheurs du NTNU d'un modèle de séquence rigide dans le cerveau fournit de nouvelles informations sur la manière dont nous organisons les expériences selon un ordre temporel.

La nature séquentielle de la mémoire

Avez-vous déjà entendu des souvenirs décrits comme des instantanés ? Ce n'est pas une description très fidèle, selon le professeur Edvard Moser. “Il est plus utile de considérer les souvenirs sous forme de vidéos”, dit-il.

“Toutes vos expériences dans le monde s'étendent dans le temps”, explique le professeur May-Britt Moser. “Une chose arrive, puis une autre, puis une troisième.”

Votre cerveau a la capacité remarquable de capturer et d’organiser mentalement des événements sélectionnés dans l’ordre chronologique dans lequel ils se sont produits, et de les relier entre eux pour en faire des expériences significatives. Cette activité de création de séquence se déroule sur l’échelle de temps pendant laquelle vous interagissez dans la situation. Lorsque vous vous souvenez de ce souvenir, le processus consistant à revivre la séquence d’événements dans votre esprit prend également du temps.

“Comment le cerveau est-il capable de générer et de stocker toutes ces séquences d'informations uniques et longues à la volée ?” demande Edvard Moser.

“Il doit exister un mécanisme fondamental pour la formation de séquences.”

“Il existe un décalage en neurosciences entre les échelles de temps auxquelles l'activité cérébrale est généralement étudiée, de l'ordre de la milliseconde, et les échelles de temps auxquelles bon nombre de nos fonctions cérébrales les plus importantes se produisent, de l'ordre de quelques dizaines de secondes à plusieurs minutes”, explique Soledad. Gonzalo Cogno, chef du groupe de recherche Kavli et premier auteur de l'article, développe la motivation derrière cette étude.

L’équipe a entrepris d’identifier ce mécanisme fondamental pour la formation de séquences, qui se produit à des échelles de temps très lentes, comme le font la plupart de nos fonctions cérébrales.

L'expérience

Pour découvrir comment les neurones se coordonnent aux lenteurs auxquelles se déroulent bon nombre de nos fonctions cérébrales, les chercheurs de Kavli se sont concentrés sur le cortex entorhinal médial (MEC), une zone cérébrale qui prend en charge les fonctions cérébrales qui dépendent de la formation de séquences, telles que la navigation et la mémoire épisodique. , qui se déroulent très lentement dans le temps.

Le volume considérable d’informations sur le monde extérieur traitées dans le cerveau à tout moment représentait un défi pour la poursuite. Tout signal de base provenant d’algorithmes neuronaux structurés et récurrents risquerait de se noyer dans le « bruit » de l’expérience entrante.

Pour contourner ce problème, les chercheurs ont créé un environnement expérimental presque dépourvu d’apports sensoriels. Ils ont laissé une souris courir dans l’obscurité totale, sans tâche à accomplir ni récompense à gagner. La souris pouvait courir ou se reposer à sa guise aussi longtemps que durait la session.

Dans le même temps, les chercheurs ont enregistré ce qui se passait dans le cortex entorhinal du cerveau de la souris tandis que son orchestre de cellules nerveuses restait dans cette position d'attente à voix douce.

Un mécanisme cérébral fondamental pour trier les informations en séquences

“C'est ce que nous avons découvert”, explique Soledad Gonzalo Cogno, en désignant une silhouette zébrée devant elle.

Le motif est composé de milliers de points regroupés. Chaque point est un signal neuronal. Nous pouvons voir que l’activité neuronale se déplace dans toutes les cellules de bas en haut le long de l’axe Y à mesure que le temps progresse le long de l’axe X. Le regroupement nous indique que l'activité est coordonnée sous forme d'ondes parcourant le réseau, comme les rythmes d'une symphonie.

Les séquences sont ultra-lentes, ce qui signifie qu’il faut deux minutes à l’onde pour parcourir le réseau neuronal, avant que l’ensemble du processus ne se répète, parfois aussi longtemps que la durée de la session de test, sur des périodes pouvant aller jusqu’à une heure.

La figure montre plusieurs centaines de neurones du cortex entorhinal de souris oscillant à des fréquences ultra-lentes, couvrant des fenêtres temporelles allant de quelques dizaines de secondes à plusieurs minutes. La dynamique qui a enthousiasmé encore plus les chercheurs est qu'à mesure que chaque cellule oscille, les cellules s'organisent également en séquences, la cellule A se déclenchant avant la cellule B, la cellule B se déclenchant avant la cellule C, et ainsi de suite, jusqu'à ce qu'elles aient terminé une activité complète. boucle et retourne à la cellule A, où le cycle se répète.

Cette activité hautement structurée chevauche l’échelle temporelle des événements que nous encodons dans nos mémoires et constitue le modèle idéal pour construire la structure séquentielle qui constitue la base des souvenirs épisodiques.

Ces vagues d’activité coordonnée ne se propageaient pas directement d’une extrémité à l’autre du tissu cérébral. Au lieu de cela, les ondes voyagent le long des fines connexions synaptiques entre les cellules qui communiquent entre elles dans le réseau. Les cellules peuvent communiquer avec d’autres cellules éloignées et avec leurs voisines les plus proches. L’enchevêtrement anatomique rend difficile la visualisation d’une activité coordonnée à l’œil nu sans localiser au préalable les cellules à partir du tracé raster.

Rayures zébrées, spirale et anneau

Le tracé raster à rayures zébrées montre les vagues lentes d’activité à travers l’ensemble du réseau sur une période donnée. “Si vous pliez le tracé raster en tube de manière à ce que le haut et le bas de la figure se chevauchent, vous verrez que les bandes diagonales se connectent pour former une spirale cohérente”, explique May-Britt Moser. “La spirale représente l'activité du réseau au fil du temps.”

Vous verrez un anneau si vous faites pivoter la spirale de 90 degrés. Toutes les cellules du réseau ont leur temps de déclenchement défini, réparti sur la surface de cet anneau. Le signal traverse toute la structure en anneau avant de retourner dans la même cellule.

“Cet anneau est une signature pour des schémas de coordination sous forme de séquences répétitives, ce que nous avons trouvé dans le MEC”, explique Soledad Gonzalo Cogno. “D'autres zones du cerveau ont des schémas de coordination différents.”

Votre cerveau est peut-être déjà équipé de cet anneau avant de vivre quoi que ce soit dans ce monde. Il s'acquiert au fil de l'évolution et peut être spécifié dans nos gènes.

“Ce qui m'enthousiasme le plus dans cette découverte, c'est la perspective que ces séquences puissent ouvrir la voie à de nouvelles façons de comprendre le cerveau”, déclare Gonzalo Cogno. “Les découvertes qui suivront pourraient remettre en question notre façon de penser la coordination dans tout le cerveau. Des cellules si différentes semblent toujours coordonnées et travaillent ensemble à des échelles de temps différentes.”