L'Américain John O'Keefe et les Norvégiens May-Britt et Edvard Moser ont découvert un système de navigation avancé dans notre cerveau qui permet de savoir exactement où nous sommes, d'où nous venons et où nous allons.
L'Américain John O'Keefe et les Norvégiens May-Britt et Edvard Moser reçoivent cette année le Prix Nobel de médecine gagné. Les scientifiques ont découvert un système de navigation avancé dans notre cerveau. Cela fait appel à des cellules nerveuses spéciales :les cellules de lieu et les cellules de grille. Ces cellules dessinent des cartes complètes sur lesquelles elles enregistrent exactement où nous sommes, d'où nous venons et où nous allons.
Dans le film Memento de 2001, le personnage principal, Lenny, souffre d'une lésion cérébrale. En conséquence, il ne peut pas se souvenir d'un événement pendant plus d'une ou deux minutes. Cette forme d'amnésie est connue des neurologues et des neuropsychologues sous le nom d'amnésie antérograde. Les patients qui en souffrent, comme Lenny, se souviennent encore des événements de leur vie avant les lésions cérébrales, mais ne peuvent plus former de souvenirs permanents de ce qui se passe après. Ils ont l'impression que leur histoire de vie s'est terminée juste avant le début de la maladie.
Si l'hippocampe ne fonctionne plus, nous ne pouvons plus créer de nouveaux souvenirs conscients
Dans le cas de Lenny, le problème a probablement été causé par des dommages à l'hippocampe, une structure située profondément dans le cerveau qui est essentielle à la mémoire - et qui joue également un rôle important dans des recherches neuroscientifiques particulièrement intrigantes qui pourraient avoir des implications de grande envergure. Des décennies de recherche ont permis de comprendre que l'hippocampe et la partie du cortex cérébral qui l'entoure font plus que simplement assigner une place dans le temps aux événements de notre vie. L'hippocampe - ainsi qu'un groupe de cellules récemment découvert dans le cortex environnant appelé cellules de grille - suivent également notre mouvement dans l'espace. De cette façon, il nous fournit une grande quantité d'informations qui nous fournissent un contexte dans lequel nous pouvons situer les événements de notre vie. L'image qui ressort de cette recherche est d'une importance historique et d'une beauté considérable.
Comment le cerveau crée-t-il et stocke-t-il des souvenirs autobiographiques ? Si la question passionne scientifiques, philosophes et écrivains depuis des siècles, ce n'est qu'il y a cinquante ans que les chercheurs ont découvert une région cérébrale clairement indispensable à cette tâche :l'hippocampe. La fonction de la structure cérébrale est devenue évidente en 1953, lorsque le chirurgien américain William Scoville a tenté de soulager les crises qui menaçaient la vie de son patient H.M. Il a retiré la majeure partie de l'hippocampe, seulement pour constater que H.M. ne pouvait plus former de nouveaux souvenirs conscients. Le cas de H.M. - combiné à un grand nombre d'études animales au cours des décennies qui ont suivi - a démontré sans équivoque que l'hippocampe agit comme une sorte de mécanisme d'encodage des souvenirs, enregistrant ainsi la chronologie de nos vies.
1. Les rats (et probablement les humains aussi) ont des milliers de cellules cérébrales spécialisées, appelées cellules de grille, qui gardent une trace de l'endroit où se trouve un animal dans l'environnement.
2. Chaque cellule de la grille projette sur son environnement un cadre virtuel de triangles et se déclenche chaque fois que le rat se trouve sur un coin d'un triangle.
3. Chaque fois que le rat se déplace, il signale son emplacement à un certain nombre de grilles. Ensemble, les grilles gardent une trace de l'endroit où se trouve le rat et de la route qu'il a suivie.
4. Les cellules de la grille sont situées dans des zones du cortex cérébral près de l'hippocampe. L'hippocampe est connu depuis longtemps pour être un centre de mémoire. De nombreux chercheurs pensent que les données spatiales des cellules de la grille permettent à l'hippocampe de créer le contexte nécessaire pour former et stocker des souvenirs autobiographiques.Dans les années 1970, une autre découverte a inspiré la théorie selon laquelle l'hippocampe stocke également notre mouvement dans l'espace. En 1971, John O'Keefe et Jonathan Dostrovsky - tous deux à l'University College de Londres à l'époque - ont découvert que les neurones de l'hippocampe présentaient des schémas de déclenchement dépendant du site. C'est-à-dire que certaines "cellules de lieu" - comme O'Keefe a appelé ces neurones dans l'hippocampe - ont commencé avec enthousiasme à libérer des potentiels d'action (les impulsions électriques que les cellules nerveuses utilisent pour communiquer entre elles) chaque fois qu'un rat se trouvait dans un endroit particulier, mais pas se faire entendre quand l'animal était ailleurs. Ainsi, chaque cellule de lieu a tiré à un seul endroit, un peu comme une alarme antivol montée dans une tuile dans le couloir. Des résultats de recherche similaires ont depuis été rapportés chez d'autres espèces animales, y compris les humains.
Les découvertes remarquables ont conduit O'Keefe et Lynn Nadel, actuellement à l'Université de l'Arizona, à croire que l'hippocampe pourrait être l'endroit du cerveau qui contient une "carte cognitive" de l'environnement. Leur raisonnement était que les cellules de lieu dans l'hippocampe organisent les différents aspects de l'expérience dans le cadre des lieux et des contextes dans lesquels les événements se produisent. Et que ce cadre contextuel encode les relations entre les différents aspects d'un événement de telle sorte qu'ils puissent être rappelés de mémoire plus tard.
Ce point de vue a fait l'objet de débats houleux pendant des années, mais les chercheurs semblent progressivement s'accorder sur le fait que l'hippocampe fournit en quelque sorte un contexte spatial essentiel à la mémoire épisodique (mémoire des événements survenus). Lorsque vous vous souvenez d'un événement passé, vous vous souvenez non seulement des personnes, des objets et d'autres éléments individuels de cet événement, mais également du contexte spatio-temporel dans lequel l'événement s'est produit. Cela vous permet de distinguer cet événement d'événements similaires avec des éléments similaires.
Mais comment ?
Cependant, malgré des recherches intensives, les scientifiques n'ont pas été en mesure de déterminer les mécanismes exacts utilisés par l'hippocampe pour créer cette représentation contextuelle d'un souvenir. Un obstacle important était que nous savions peu de choses sur les régions du cerveau qui fournissent des informations à l'hippocampe. Des recherches antérieures ont suggéré que le cortex entorhinal - une partie du cortex cérébral juste devant l'hippocampe - encode les informations spatiales de la même manière que l'hippocampe, mais avec moins de précision.
Ce point de vue a maintenant été complètement renversé avec la découverte d'un système de cellules de grille dans le cortex entorhinal médian. Cette découverte est décrite dans une récente série d'articles par Edvard Moser et May-Britt Moser de l'Université norvégienne des sciences et technologies. Contrairement à une cellule de lieu, qui se déclenche chaque fois qu'un rat se trouve dans un seul endroit spécifique, une cellule de grille se déclenche lorsque le rat se trouve à différents endroits, tant que ces endroits font partie d'une grille hexagonale étonnamment uniforme. C'est comme si la cellule était en contact avec un certain nombre de tuiles d'alarme anti-intrusion qui sont espacées à des intervalles spécifiques et réguliers. Les emplacements qui activent une cellule de grille particulière sont disposés selon un motif de grille exact et auto-répétitif, composé de triangles équilatéraux disposés comme une mosaïque sur le fond de l'environnement.
Supposons que vous essayez de couvrir une surface au sol avec des assiettes rondes, en essayant de vous débarrasser d'autant d'assiettes que possible, et que chaque assiette est entourée d'autres assiettes qui sont toutes à la même distance les unes des autres. Voici à quoi ressemble le modèle d'activation avec lequel chaque cellule de grille individuelle est connectée. Lorsqu'un rat marche sur le sol, une cellule de grille dans le cerveau se déclenche chaque fois qu'il s'approche du centre d'une assiette. Dans le même temps, d'autres cellules de grille sont connectées avec leurs propres motifs de grille hexagonaux. Les grilles associées aux cellules de grille voisines sont approximativement de la même taille, mais légèrement décalées les unes des autres. Les motifs de grille se chevauchent.
Ces cellules de grille, concluent les Mosers, sont susceptibles d'être les composants cruciaux d'un mécanisme cérébral qui met à jour en permanence l'orientation spatiale du rat, même en l'absence d'impressions sensorielles de l'environnement. Et ils forment presque certainement l'entrée spatiale de base que l'hippocampe utilise pour créer le modèle de déclenchement très spécifique et dépendant du contexte des cellules de lieu.
Il s'agit de l'une des découvertes les plus remarquables de l'histoire de la recherche sur le cerveau, en particulier lorsqu'il s'agit d'enregistrer l'activité de différentes parties du cerveau. Lorsque j'ai lu pour la première fois l'article annonçant cette découverte dans mon étude, j'ai immédiatement réalisé que je lisais un texte d'importance historique pour les neurosciences. Personne n'avait jamais signalé une propriété des réponses neuronales qui soit si géométriquement régulière, si cristalline, si parfaite.
Cela ne pouvait pas être vrai, n'est-ce pas ? Mais les résultats de la recherche ne laissent aucun doute. "Tout sera différent à partir de maintenant," marmonnai-je. Mon excitation était en partie causée par la pure beauté du modèle de réponse des cellules de la grille. De plus, j'étais convaincu qu'il s'agissait d'une étape importante dans notre quête pour comprendre comment l'hippocampe pouvait constituer la base de la mémoire épisodique. Les cellules de la grille fournissent un point de départ concret pour la question de savoir quel type d'information est encodé dans l'une des formes d'entrée les plus importantes pour l'hippocampe.
Sur la base de cette découverte, nous pouvons commencer à modéliser de manière plus réaliste les types de calculs que l'hippocampe effectue pour transformer ces représentations en treillis en propriétés plus complexes des cellules de lieu que nous avons découvertes au cours des trente dernières années. Par exemple, différents groupes de cellules de lieu sont actifs dans différents environnements, tandis que toutes les cellules de la grille semblent être actives dans tous les environnements. Comment la carte spatiale générale encodée par les cellules de la grille est-elle transformée en carte spécifique à l'environnement (ou au contexte) encodée par les cellules de lieu ?
De plus, la découverte des cellules de la grille confirme l'idée que l'hippocampe et le lobe temporal médial sont d'excellents modèles pour comprendre comment le cerveau construit des représentations cognitives du "monde extérieur" qui ne sont explicitement liées à aucun stimulus sensoriel. Il n'y a pas de modèle de repères visuels, de stimuli auditifs, d'informations somatosensorielles ou d'autres sensations qui pourraient jamais provoquer le déclenchement d'une cellule de grille d'une manière aussi cristalline dans n'importe quel environnement. Ce modèle de feu - qui est toujours le même, que le rat se trouve dans une pièce familière et bien éclairée ou dans un endroit inconnu et sombre - doit être une construction purement cognitive. Bien que les modèles de feu des cellules de la grille soient tenus à jour et calibrés par les entrées sensorielles des systèmes vestibulaires, visuels et autres systèmes sensoriels, ils ne dépendent pas de stimuli sensoriels externes.
Certains soutiennent que les cellules de lieu dans l'hippocampe sont également indépendantes de la même manière. Cependant, d'autres soulignent que nous savons que les points de repère externes affectent les cellules de lieu et que ces cellules ont tendance à se déclencher à des endroits discrets. Cela signifierait que les cellules de lieu sont principalement activées par des combinaisons uniques de repères sensoriels qui se produisent à certains endroits. Ce raisonnement ne peut pas expliquer les modèles de feu des cellules de la grille.
La voie à suivre
Qu'est-ce qui peut alors expliquer la dynamique des mailles ? Une possibilité est que ces cellules permettent à un animal, en surveillant ses propres mouvements, de "mettre à jour" constamment sa localisation physique sur une carte cognitive interne. Ces informations sont ensuite transmises à l'hippocampe, qui combine cette représentation spatiale avec d'autres données sur un événement pour créer des souvenirs spécifiques et riches en contexte d'expériences uniques, une capacité que Lenny a perdue dans le film Memento.
La découverte des cellules de la grille a généré un sentiment d'excitation presque palpable. Il est tout à fait possible que d'autres recherches sur les cellules de la grille (en conjonction avec l'autre fournisseur majeur d'informations de l'hippocampe, le cortex entorhinal latéral) révèlent les mécanismes neuronaux qui nous permettent de nous souvenir de notre histoire personnelle - un processus crucial qui sous-tend notre sens de identité.
