Les 'cellules de lieu', quelque chose comme notre cerveau GPS

L'orientation et l'exploration dans des espaces nouveaux ou inconnus est l'une des facultés cognitives que nous utilisons le plus souvent. Nous l'utilisons pour nous orienter dans notre maison, notre quartier, pour aller travailler.

Nous en dépendons également lorsque nous voyageons dans une ville nouvelle et inconnue pour nous. Nous l'utilisons même en conduisant et, éventuellement, le lecteur aura été victime d'une orientation imprudente ou dans celui d'un collègue, qui l'aura condamné à se perdre, obligé de faire le tour de la voiture jusqu'à ce qu'il trouve la route adéquat.

C'est pas la faute de l'orientation, c'est la faute de l'hippocampe

Ce sont toutes des situations qui nous frustrent généralement beaucoup et qui nous amènent à maudire notre orientation ou celle des autres avec des insultes, des cris et des comportements divers. Bien, Bon, aujourd'hui je vais donner un coup de pinceau sur les mécanismes neurophysiologiques de l'orientation, dans notre GPS cérébral pour nous comprendre.

Nous commencerons par être précis: nous ne devons pas maudire l'orientation car elle n'est que le produit de notre activité neuronale dans des régions spécifiques. Par conséquent, nous commencerons par maudire notre hippocampe.

L'hippocampe comme structure cérébrale

Évolutionnellement, l'hippocampe est une structure ancienne, il fait partie de l'archicortex, c'est-à-dire des structures phylogénétiquement plus anciennes de notre espèce. Anatomiquement, il fait partie du système limbique, dans lequel se trouvent également d'autres structures telles que l'amygdale. Le système limbique est considéré comme le substrat morphologique de la mémoire, des émotions, de l'apprentissage et de la motivation.

Le lecteur, peut-être s'il est habitué à la psychologie, saura que l'hippocampe est une structure nécessaire à la consolidation des souvenirs. déclarative, c'est-à-dire avec ces souvenirs avec un contenu épisodique sur nos expériences ou sémantique (Nadel et O'Keefe, 1972).

La preuve en sont les nombreuses études qui existent sur le cas populaire du « patient HM », un patient qui s'est fait enlever les deux hémisphères temporaux. produisant une amnésie antérograde dévastatrice, c'est-à-dire qu'il ne pouvait pas mémoriser de nouveaux faits bien qu'il ait conservé la plupart de ses souvenirs d'avant la opération. Pour ceux qui veulent approfondir ce cas, je recommande les études de Scoville et Millner (1957), qui ont étudié de manière exhaustive le patient HM.

Les Cellules de Lieu: qu'est-ce que c'est ?

Jusqu'à présent, nous ne disons rien de nouveau, ni de surprenant. Mais c'est en 1971 que par hasard un fait a été découvert qui a généré le début de l'étude des systèmes de navigation dans le cerveau. O'keefe et John Dostrovski, utilisant des électrodes intracrâniennes, ont pu enregistrer l'activité de neurones hippocampiques spécifiques chez le rat. Cela offrait la possibilité qu'en effectuant différents tests de comportement, l'animal soit éveillé, conscient et se déplace librement.

Ce qu'ils ne s'attendaient pas à découvrir, c'est qu'il y avait des neurones qui répondaient sélectivement en fonction de la zone dans laquelle se trouvait le rat. Ce n'est pas qu'il y avait des neurones spécifiques à chaque position (il n'y a pas de neurone pour votre salle de bain, par exemple), mais que observé dans les cellules CA1 (une région spécifique de l'hippocampe) qui marquaient des points de repère pouvant s'adapter à différents les espaces.

Ces cellules s'appelaient placer des cellules. Par conséquent, ce n'est pas qu'il y ait un neurone de lieu pour chaque espace spécifique que vous fréquentez, mais plutôt ce sont des points de référence qui vous relient à votre environnement; c'est ainsi que se forment les systèmes de navigation égocentriques. Les neurones du lieu formeront également des systèmes de navigation allocentriques qui relieront les éléments de l'espace les uns aux autres.

Programmation innée vs expérience

Cette découverte a intrigué de nombreux neuroscientifiques, qui considéraient l'hippocampe comme une structure d'apprentissage déclarative et maintenant ils ont vu comment il était capable d'encoder des informations espace. Cela a donné lieu à l'hypothèse de la « carte cognitive » qui postulerait qu'une représentation de notre environnement serait générée dans l'hippocampe.

Idem que lui cerveau c'est un excellent générateur de cartes pour d'autres modalités sensorielles telles que le codage des signaux visuels, auditifs et somatosensoriels; Il n'est pas déraisonnable de considérer l'hippocampe comme une structure qui génère des cartes de notre environnement et qui garantit notre orientation en eux..

Les recherches sont allées plus loin et ont testé ce paradigme dans des situations très diverses. On a vu, par exemple, que placer des cellules dans des tâches de labyrinthe se déclenche lorsque l'animal fait des erreurs ou quand il est dans une position dans laquelle le neurone se déclencherait normalement (O'keefe et Speakman, 1987). Dans des tâches dans lesquelles l'animal doit se déplacer dans différents espaces, il a été observé que des neurones se mettent à feu en fonction de l'origine et de la destination de l'animal (Frank et al., 2000).

Comment les cartes spatiales sont formées

Un autre des principaux centres d'intérêt de la recherche dans ce domaine a été la façon dont ces cartes spatiales sont formées. D'une part, on pourrait penser que les cellules de lieu établissent leur fonction à partir de l'expérience que nous recevons lorsque nous explorons un environnement, ou nous pourrions penser qu'il s'agit d'un composant sous-jacent de nos circuits cérébraux, c'est-à-dire inné. La question n'est pas encore claire et nous pouvons trouver des preuves empiriques qui soutiennent les deux hypothèses.

D'une part, les expériences de Monaco et Abbott (2014), qui ont enregistré l'activité d'un grand nombre de cellules de site, ont car lorsqu'un animal est placé dans un nouvel environnement, il faut plusieurs minutes pour que ces cellules commencent à tirer avec Ordinaire. Donc, les cartes de lieux seraient exprimées, en quelque sorte, à partir du moment où un animal entre dans un nouvel environnement, mais l'expérience modifierait ces cartes à l'avenir.

On pourrait donc penser que la plasticité cérébrale joue un rôle dans la formation des cartes spatiales. Ensuite, si la plasticité jouait vraiment un rôle, nous nous attendrions à ce que les souris knock-out suppriment le récepteur NMDA du neurotransmetteur glutamate, c'est-à-dire les souris. qui n'expriment pas ce récepteur - n'ont pas généré de cartes spatiales car ce récepteur joue un rôle fondamental dans la plasticité cérébrale et les apprentissage.

La plasticité joue un rôle important dans le maintien des cartes spatiales

Cependant, ce n'est pas le cas, et il a été observé que des souris knock-out pour le récepteur NMDA ou des souris qui ont été traitées pharmacologiquement Pour bloquer ce récepteur, ils expriment des modèles de réponse similaires des cellules de lieu dans des environnements nouveaux ou familiers. Ceci suggère que l'expression des cartes spatiales est indépendante de la plasticité cérébrale (Kentrol et al., 1998). Ces résultats soutiendraient l'hypothèse selon laquelle les systèmes de navigation sont indépendants de l'apprentissage.

Malgré tout, en utilisant la logique, les mécanismes de plasticité cérébrale doivent clairement être nécessaires à la stabilité de la mémoire des cartes nouvellement formées. Et, s'il n'en était pas ainsi, à quoi servirait l'expérience que l'on forme en arpentant les rues de sa ville? N'aurions-nous pas toujours le sentiment que c'est la première fois que nous pénétrons dans notre maison? Je crois que, comme à tant d'autres occasions, les hypothèses sont plus complémentaires qu'il n'y paraît et, en quelque sorte, malgré un fonctionnement inné de ces fonctions, la plasticité doit jouer un rôle dans la conservation de ces cartes spatiales en mémoire.

Cellules de réseau, d'adresse et de périphérie

Il est assez abstrait de parler de cellules de lieu et peut-être plus d'un lecteur a-t-il été surpris que la même zone du cerveau qui génère les souvenirs serve, pour ainsi dire, de GPS. Mais nous n'avons pas fini et le meilleur reste à venir. Maintenant, frisons la boucle pour de vrai. Au début, on pensait que la navigation spatiale dépendrait exclusivement de l'hippocampe quand on a vu que Les structures adjacentes telles que le cortex entorhinal ont montré une très faible activation en fonction de l'espace (Frank et al. al., 2000).

Cependant, dans ces études, l'activité a été enregistrée dans les zones ventrales du cortex entorhinal et dans les études zones postérieures, des zones dorsales ont été enregistrées qui ont un plus grand nombre de connexions à l'hippocampe (Fyhn et al., 2004). Donc de nombreuses cellules de cette région se sont déclenchées en fonction de la position, comme dans l'hippocampe. Jusqu'à présent, ce sont des résultats que l'on s'attendait à trouver, mais lorsqu'ils ont décidé d'augmenter la zone qu'ils enregistreraient dans le cortex entorhinal, ils ont eu une surprise: Parmi les groupes de neurones activés en fonction de l'espace occupé par l'animal, il y avait apparemment des zones silencieuses, c'est-à-dire qu'elles n'étaient pas activé. Lorsque les régions qui présentaient une activation étaient virtuellement jointes, des motifs sous la forme d'hexagones ou de triangles ont été observés. Ils ont appelé ces neurones du cortex entorhinal « cellules du réseau ».

En découvrant les cellules de réseau, une possibilité a été vue pour résoudre la question de la formation des cellules de lieu. Étant donné que les cellules ont de nombreuses connexions de cellules de réseau, il n'est pas déraisonnable de penser qu'elles sont formées à partir de celles-ci. Cependant, encore une fois, les choses ne sont pas si simples et les preuves expérimentales n'ont pas confirmé cette hypothèse. Les motifs géométriques qui forment les cellules du réseau n'ont pas encore été interprétés non plus.

Les systèmes de navigation ne se limitent pas à l'hippocampe

La complexité ne s'arrête pas là. Encore moins quand on a vu que les systèmes de navigation ne se limitent pas à l'hippocampe. Cela a élargi les limites de la recherche à d'autres zones du cerveau, découvrant ainsi d'autres types de cellules liées aux cellules de lieu: cellules de direction et cellules de bord.

Les cellules de direction coderaient la direction dans laquelle le sujet se déplace et seraient situées dans le noyau tegmental dorsal du tronc cérébral. Les cellules de bord, d'autre part, sont des cellules qui augmenteraient leur taux de tir à mesure que le sujet devient approchent les limites d'un espace donné et nous pouvons les trouver dans la région spécifique du subiculum du hippocampe-. Nous allons proposer un exemple simplifié dans lequel nous essaierons de résumer la fonction de chaque type de cellule :

Imaginez que vous êtes dans la salle à manger de votre maison et que vous voulez aller à la cuisine. Puisque vous êtes dans la salle à manger de votre maison, vous aurez une cellule de lieu qui se déclenchera tant que vous resterez dans le salle à manger, mais puisque vous voulez aller à la cuisine, vous aurez également une autre cellule de lieu activée qui représente le cuisine. L'activation sera claire car votre maison est un espace que vous connaissez parfaitement et l'activation peut être détectée à la fois dans les cellules de lieu et dans les cellules de réseau.

Maintenant, commencez à marcher vers la cuisine. Il y aura un groupe de cellules d'adresses spécifiques qui seront désormais déclenchées et ne changeront pas tant que vous conserverez une adresse spécifique. Maintenant, imaginez que pour aller à la cuisine, vous devez tourner à droite et traverser un couloir étroit. Au moment où vous tournez, vos cellules de direction le sauront et un autre ensemble de cellules de direction enregistrera la direction qu'il a maintenant prise en s'allumant, et les précédentes s'éteindront.

Imaginez aussi que le couloir est étroit et que tout mauvais mouvement peut vous faire vous écraser contre le mur, ainsi vos cellules frontalières augmenteront leur cadence de tir. Plus vous vous rapprochez du mur du couloir, plus la cadence de tir de ses cellules de bord serait élevée. Pensez aux cellules de bord comme les capteurs de certaines voitures plus récentes qui émettent un signal sonore lorsque vous manœuvrez pour vous garer. Cellules de bordure Ils fonctionnent de la même manière que ces capteurs, plus vous êtes proche de la collision, plus ils font de bruit. Lorsque vous arriverez à la cuisine, vos cellules de lieu vous auront indiqué qu'elle est arrivée de manière satisfaisante et étant un environnement plus vaste, vos cellules de bord se détendront.

Finissons de tout compliquer

Il est curieux de penser que notre cerveau a des moyens de connaître notre position. Mais une question demeure: comment concilier mémoire déclarative et navigation spatiale dans l'hippocampe, c'est-à-dire comment nos souvenirs influencent-ils ces cartes? Ou se pourrait-il que nos souvenirs se soient formés à partir de ces cartes? Pour tenter de répondre à cette question, nous devons réfléchir un peu plus loin. D'autres études ont souligné que les mêmes cellules qui codent l'espace, dont nous avons déjà parlé, codent également le temps. Ainsi, on a parlé de cellules de temps (Eichenbaum, 2014) qui encoderait la perception du temps.

Ce qui est surprenant dans cette affaire, c'est que il y a de plus en plus de preuves soutenant l'idée que les cellules de lieu sont les mêmes que les cellules de temps. Ensuite, le même neurone à travers les mêmes impulsions électriques est capable de coder l'espace et le temps. La relation de l'encodage du temps et de l'espace dans les mêmes potentiels d'action et leur importance dans la mémoire restent un mystère.

En conclusion: mon avis personnel

Mon avis là-dessus? Enlevant ma robe de scientifique, je peux dire que les êtres humains ont tendance à penser à l'option facile et nous aimons penser que le cerveau parle la même langue que nous. Le problème est que le cerveau nous offre une version simplifiée de la réalité qu'il traite lui-même. D'une manière similaire aux ombres de la grotte de Platon. Ainsi, tout comme en physique quantique les barrières sont brisées de ce que nous comprenons comme la réalité, dans le neurosciences nous découvrons que dans le cerveau les choses sont différentes du monde que nous percevons consciemment et nous devons avoir un esprit très ouvert que les choses ne doivent pas être telles qu'elles sont réellement nous les percevons.

La seule chose qui est claire pour moi est quelque chose qu'Antonio Damasio répète beaucoup dans ses livres: le cerveau est un excellent générateur de cartes. Peut-être que le cerveau interprète le temps et l'espace de la même manière pour former des cartes de nos souvenirs. Et si cela vous semble chimérique, pensez qu'Einsten dans sa théorie de la relativité l'une des théories qu'il a postulée était que le temps ne pouvait pas être compris sans espace, et vice versa. Sans aucun doute, percer ces mystères est un défi, d'autant plus lorsqu'il s'agit d'aspects difficiles à étudier chez l'animal.

Cependant, aucun effort ne doit être épargné sur ces questions. D'abord par curiosité. Si nous étudions l'expansion de l'univers ou les ondes gravitationnelles récemment enregistrées, pourquoi n'allions-nous pas étudier comment notre cerveau interprète le temps et l'espace? Et deuxièmement, bon nombre des pathologies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, leurs premiers symptômes sont une désorientation spatio-temporelle. Connaissant les mécanismes neurophysiologiques de ce codage, nous pourrions découvrir de nouveaux aspects qui aideront à mieux comprendre l'évolution pathologique de ces maladies et, qui sait, découvrir ou non de nouvelles cibles médicamenteuses pharmacologique.

Références bibliographiques:

• Eichenbaum H. 2014. Cellules de temps dans l'hippocampe: une nouvelle dimension pour cartographier les souvenirs. Nature 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Encodage de trajectoire dans l'hippocampe et le cortex entorhinal. Neurone 27: 169-178.
• Fyhn M, Molden S, député de Witter, Moser EI, Moser M-B. 2004. Représentation spatiale dans le cortex entorhinal. Sciences 305: 1258-1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Abolition de la stabilité à long terme des nouvelles cartes de cellules de lieu de l'hippocampe par le blocage des récepteurs NMDA. Sciences 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Réalignement modulaire de l'activité des cellules de la grille entorhinale comme base pour le remappage de l'hippocampe. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Activité unitaire dans l'hippocampe du rat lors d'une tâche de mémoire spatiale. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Perte de mémoire récente après hippocampallésion bilatérale. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.