Il y a près de 50 ans, des neuroscientifiques ont découvert des cellules dans l'hippocampe du cerveau qui stockent des souvenirs d'emplacements spécifiques. Ces cellules jouent également un rôle important dans le stockage des souvenirs d’événements, appelés souvenirs épisodiques. Bien que le mécanisme par lequel les cellules de lieu codent la mémoire spatiale ait été bien caractérisé, la manière dont elles codent les mémoires épisodiques reste une énigme.
Un nouveau modèle développé par des chercheurs du MIT explique comment ces cellules peuvent être recrutées pour former des souvenirs épisodiques, même en l'absence de composante spatiale. Selon ce modèle, les cellules de lieu, ainsi que les cellules de grille trouvées dans le cortex entorhinal, agissent comme un échafaudage qui peut être utilisé pour ancrer les souvenirs sous forme de séries liées.
« Ce modèle est une première ébauche de modèle du circuit de mémoire épisodique entorhinal-hippocampique. C'est une base sur laquelle s'appuyer pour comprendre la nature de la mémoire épisodique. C'est ce qui me passionne vraiment », déclare Ila Fiete, professeur de sciences du cerveau et des sciences cognitives au MIT, membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT et auteur principal de la nouvelle étude.
Le modèle reproduit avec précision plusieurs caractéristiques des systèmes de mémoire biologique, notamment la grande capacité de stockage, la dégradation progressive des mémoires plus anciennes et la capacité des personnes participant à des compétitions de mémoire à stocker d'énormes quantités d'informations dans des « palais de la mémoire ».
Sarthak Chandra, chercheur au MIT, et Sugandha Sharma PhD '24 sont les principaux auteurs de l'étude, qui paraît aujourd'hui dans Nature. Rishidev Chaudhuri, professeur adjoint à l'Université de Californie à Davis, est également l'auteur de l'article.
Un index des souvenirs
Pour coder la mémoire spatiale, les cellules placées dans l'hippocampe travaillent en étroite collaboration avec les cellules de la grille – un type spécial de neurone qui se déclenche à de nombreux endroits différents, disposés géométriquement selon un motif régulier de triangles répétitifs. Ensemble, une population de cellules de grille forme un réseau de triangles représentant un espace physique.
En plus de nous aider à nous souvenir des endroits où nous sommes allés, ces circuits hippocampo-entorhinaux nous aident également à naviguer dans de nouveaux endroits. Chez les patients humains, on sait que ces circuits sont également essentiels à la formation de souvenirs épisodiques, qui peuvent avoir une composante spatiale mais sont principalement constitués d'événements, tels que la façon dont vous avez célébré votre dernier anniversaire ou ce que vous avez déjeuné hier.
« Les mêmes circuits hippocampiques et entorhinaux sont utilisés non seulement pour la mémoire spatiale, mais aussi pour la mémoire épisodique générale », explique Fiete. « La question que l'on peut se poser est quelle est la connexion entre la mémoire spatiale et la mémoire épisodique qui les fait vivre dans le même circuit ? »
Deux hypothèses ont été proposées pour expliquer ce chevauchement de fonctions. La première est que le circuit est spécialisé dans le stockage de souvenirs spatiaux, car ces types de souvenirs (se souvenir de l'endroit où se trouvait la nourriture ou de l'endroit où les prédateurs ont été vus) sont importants pour la survie. Dans cette hypothèse, ce circuit code les mémoires épisodiques comme sous-produit de la mémoire spatiale.
Une hypothèse alternative suggère que le circuit est spécialisé pour stocker des souvenirs épisodiques, mais qu'il code également la mémoire spatiale car la localisation est un aspect de nombreuses mémoires épisodiques.
Dans ce travail, Fiete et ses collègues ont proposé une troisième option : la structure particulière des cellules de la grille et leurs interactions avec l'hippocampe sont tout aussi importantes pour les deux types de mémoire – épisodique et spatiale. Pour développer leur nouveau modèle, ils se sont appuyés sur des modèles informatiques développés par son laboratoire au cours de la dernière décennie, qui imitent la façon dont les cellules de la grille codent les informations spatiales.
« Nous avons atteint le point où j'avais l'impression de comprendre à un certain niveau les mécanismes du circuit des cellules de la grille. C'était donc le moment d'essayer de comprendre les interactions entre les cellules de la grille et le circuit plus large qui comprend l'hippocampe », explique Fiete. .
Dans le nouveau modèle, les chercheurs ont émis l’hypothèse que les cellules de la grille interagissant avec les cellules de l’hippocampe peuvent agir comme un échafaudage pour stocker la mémoire spatiale ou épisodique. Chaque modèle d'activation au sein de la grille définit un « puits », et ces puits sont espacés à intervalles réguliers. Les puits ne stockent pas le contenu d’une mémoire spécifique, mais chacun agit comme un pointeur vers une mémoire spécifique, stockée dans les synapses situées entre l’hippocampe et le cortex sensoriel.
Lorsque la mémoire est déclenchée ultérieurement à partir de morceaux fragmentaires, les interactions entre la grille et les cellules de l'hippocampe entraînent l'état du circuit dans le puits le plus proche, et l'état au fond du puits se connecte à la partie appropriée du cortex sensoriel pour remplir les détails de la mémoire. . Le cortex sensoriel est beaucoup plus grand que l’hippocampe et peut stocker de grandes quantités de mémoire.
« Conceptuellement, nous pouvons considérer l'hippocampe comme un réseau de pointeurs. C'est comme un indice qui peut être complété à partir d'une entrée partielle, et cet indice pointe ensuite vers le cortex sensoriel, où ces entrées ont été ressenties en premier lieu », Fiete dit. « L'échafaudage ne contient pas le contenu, il contient uniquement cet index d'états abstraits de l'échafaudage. »
De plus, les événements qui se produisent en séquence peuvent être liés entre eux : chaque puits du réseau cellule-hippocampe stocke efficacement les informations nécessaires à l'activation du puits suivant, permettant ainsi de rappeler les souvenirs dans le bon ordre.
Modéliser des falaises et des palais de la mémoire
Le nouveau modèle des chercheurs reproduit plusieurs phénomènes liés à la mémoire avec beaucoup plus de précision que les modèles existants basés sur les réseaux Hopfield – un type de réseau neuronal capable de stocker et de rappeler des modèles.
Bien que les réseaux Hopfield offrent un aperçu de la façon dont les souvenirs peuvent être formés en renforçant les connexions entre les neurones, ils ne modélisent pas parfaitement le fonctionnement de la mémoire biologique. Dans les modèles Hopfield, chaque mémoire est rappelée dans les moindres détails jusqu'à ce que la capacité soit atteinte. À ce stade, aucun nouveau souvenir ne peut se former et, pire encore, tenter d’en ajouter d’autres efface tous les précédents. Cette « falaise de la mémoire » n’imite pas avec précision ce qui se passe dans le cerveau biologique, qui a tendance à oublier progressivement les détails des souvenirs plus anciens tandis que de nouveaux s’ajoutent continuellement.
Le nouveau modèle du MIT capture les résultats de décennies d'enregistrements de cellules de grille et d'hippocampe chez des rongeurs, réalisés alors que les animaux explorent et se nourrissent dans divers environnements. Cela aide également à expliquer les mécanismes sous-jacents à une stratégie de mémorisation connue sous le nom de palais de la mémoire. L'une des tâches des concours de mémoire est de mémoriser la séquence de cartes mélangées dans un ou plusieurs jeux de cartes. Pour ce faire, ils attribuent généralement chaque carte à un endroit particulier dans un palais de la mémoire – un souvenir d'une maison d'enfance ou d'un autre environnement qu'ils connaissent bien. Lorsqu'ils ont besoin de rappeler les cartes, ils se promènent mentalement dans la maison, visualisant chaque carte à sa place au fur et à mesure. Contre-intuitivement, l’ajout de la charge de mémoire liée à l’association des cartes aux emplacements rend le rappel plus fort et plus fiable.
Le modèle informatique de l'équipe du MIT a été capable d'effectuer de telles tâches très bien, suggérant que les palais de la mémoire tirent parti de la propre stratégie du circuit de mémoire consistant à associer des entrées à un échafaudage dans l'hippocampe, mais un niveau en dessous : des souvenirs acquis depuis longtemps sont reconstruits dans le système sensoriel plus large. le cortex peut désormais être utilisé comme échafaudage pour de nouveaux souvenirs. Cela permet de stocker et de rappeler beaucoup plus d'éléments dans une séquence qu'il ne serait autrement possible.
Les chercheurs envisagent maintenant de s'appuyer sur leur modèle pour explorer comment les souvenirs épisodiques pourraient être convertis en mémoire corticale « sémantique », ou mémoire de faits dissociés du contexte spécifique dans lequel ils ont été acquis (par exemple, Paris est la capitale de la France). , comment les épisodes sont définis et comment des modèles de mémoire de type cérébral pourraient être intégrés dans l'apprentissage automatique moderne.
La recherche a été financée par l'Office of Naval Research des États-Unis, la National Science Foundation dans le cadre du programme Robust Intelligence, le prix ARO-MURI, la Fondation Simons et le K. Lisa Yang ICoN Center.
