Chaque jour, notre cerveau prend d'innombrables expériences éphémères – des promenades sur la plage aux présentations au travail – et les transforme en souvenirs à long terme. Comment cela fonctionne exactement reste un mystère, mais les neuroscientifiques croient qu'il implique un phénomène appelé Replay neural, dans lequel les neurones recréent rapidement les mêmes séquences d'activation qui se sont produites au cours de l'expérience originale. Étonnamment, les rediffusions neuronales peuvent se produire à la fois avant et après une expérience, suggérant qu'ils aident à la fois dans le stockage de la mémoire et également la planification future.
Dans une nouvelle étude, les neuroscientifiques de l'Université de Californie à Berkeley ont enregistré une activité à partir de centaines de neurones simultanément dans des chauves-souris volantes librement. C'est la première fois qu'un ensemble de neurones – plutôt que de neurones individuels – est étudié de concert dans les chauves-souris alors qu'ils volent et se comportent naturellement. Les données ont fourni de nouvelles perspectives surprenantes sur la relecture neurale et les séquences thêta, un autre phénomène qui serait impliqué dans la mémoire et la planification.
Depuis 20 ans, nous enregistrons des neurones uniques dans les chauves-souris et posons la question: «Lorsque les animaux font des choses intéressantes, que font les neurones individuels? Mais dans le cerveau, il y a des propriétés émergentes que vous ne voyez que lorsque vous regardez des ensembles de neurones. Dans cette étude, nous avons examiné ces deux phénomènes – la relecture et les séquences thêta – qui ne sont visibles que lorsque vous suivez de nombreux neurones en même temps. «
Michael Yartsev, auteur principal de l'étude, professeur agrégé de neurosciences et de bio-ingénieurs et un enquêteur de Howard Hughes Medical Institute à UC Berkeley
Une meilleure compréhension du rôle de la relecture et des séquences thêta dans le cerveau des animaux pourrait éclairer la formation des souvenirs à long terme et les stockés chez l'homme, ce qui pourrait entraîner de nouveaux traitements pour les troubles neurologiques comme la maladie de Parkinson et la maladie d'Alzheimer.
L'étude, qui a été publiée en ligne aujourd'hui (9 juillet) dans la revue Naturea été soutenu par des subventions de l'Air Force Office of Scientific Research, de l'Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux et du Bureau de la recherche navale.
'Un tout autre jeu de balle'
L'étude de la relecture neurale et des séquences thêta est délicate car elle nécessite d'écouter des dizaines ou des centaines de neurones dans le cerveau simultanément. Au cours de la dernière décennie, le laboratoire de Michael Yartsev a été le pionnier des technologies d'enregistrement neuronal sans fil dans les chauves-souris de fruits égyptiennes, donnant à son équipe une vision sans précédent à l'intérieur du cerveau de ces experts en navigation alors qu'ils se nourrissent dans de grands environnements.
Auparavant, les dispositifs d'enregistrement sans fil n'ont pu détecter que les signaux à partir de petits nombres de neurones à la fois. Dans la nouvelle étude, les auteurs co-primitifs Angelo Forli, Wudi Fan et Kevin Qi ont réussi à utiliser des réseaux d'électrodes en silicium haute densité qui peuvent enregistrer des centaines de neurones à la fois des chauves-souris volantes. Ces électrodes peuvent également enregistrer les potentiels de champ locaux, une mesure de l'activité électrique globale dans une région du cerveau.
« C'est un tout autre jeu de balle pour enregistrer de si grands ensembles de neurones sans fil dans un animal volant », a déclaré Yartsev. « Ce n'était jamais possible auparavant. »
Pour étudier la relecture neurale et les séquences thêta, les chercheurs ont suivi l'activité des «cellules de place», un type de neurone que l'on trouve dans l'hippocampe de nombreuses espèces. Les cellules de place individuelles se déclenchent lorsqu'un animal est dans un endroit spécifique dans l'espace, créant une carte spatiale interne de son environnement.
« Si vous savez qu'une cellule de lieu correspond à un emplacement spécifique dans l'espace et que la cellule est active, alors vous pouvez déduire que la chauve-souris est à cet endroit », a déclaré Angelo Forli, qui est chercheur postdoctoral à UC Berkeley. « Si vous pouvez suivre plusieurs cellules, vous pouvez connaître le chemin que la chauve-souris a emprunté. »
Mais les cellules de place ne sont pas actives lorsqu'un animal se déplace. Des expériences dans les rongeurs ont montré qu'ils présentent une rediffusion hippocampique pendant le repos, essentiellement revoltant dans la même séquence que pendant le mouvement mais dans un format plus court et comprimé.
Placer les cellules des rongeurs présente également des schémas appelés séquences thêta, qui se produisent pendant le mouvement, et sont censés représenter l'animal « en regardant » à quelques pas de son emplacement actuel.
« Auparavant, ces phénomènes ont été exclusivement étudiés chez les rongeurs, car c'est ce que la technologie a permis. Nous voulions savoir s'ils existent également dans les chauves-souris, et s'ils le font, sont-ils différents de ce que nous voyons chez les rongeurs? » dit Forli. « Nous avons découvert une série de différences qui remettent en question les modèles établis. »
Une unité fondamentale de traitement de l'information
Dans l'expérience, les chercheurs ont enregistré l'activité des cellules de la place des chauves-souris alors qu'ils volaient librement autour d'une grande pièce de vol et ont identifié les séquences de cellules de place correspondant à des trajectoires spécifiques. Ils ont ensuite pu identifier les événements de relecture, ou des moments où ces mêmes séquences neuronales se sont produites lorsque les chauves-souris étaient au repos.
La plupart de ce que nous savons de la relecture a été glané à partir d'expériences sur des rongeurs dans des paramètres non naturels, tels qu'une «boîte de sommeil», pour enregistrer les événements de relecture après les courses comportementales. Cela introduit des frontières artificielles entre les états actifs et inactifs. En revanche, les chauves-souris ont de nombreuses périodes actives naturelles et des périodes de repos au cours de la même session expérimentale, permettant la capture de la relecture dans des conditions moins restrictives. Cela a conduit à la découverte que les rediffusions se produisent principalement quelques minutes après l'expérience, et souvent dans des endroits éloignés de l'endroit où l'expérience a eu lieu.
Étonnamment, les chercheurs ont également constaté que la durée de ces événements de relecture était la même pour toutes les trajectoires de vol, quelle que soit la durée du vol. Essentiellement, si une séquence neuronale correspondait à un vol de 10 mètres et qu'une autre séquence neuronale correspondait à un vol de 20 mètres, les rediffusions de ces deux séquences ont été compressées dans le temps à la même longueur.
« Nous avons vu que les rediffusions pour les trajectoires courtes et longues avaient la même durée », a déclaré Forli. « Il semble que les informations soient réduites au même temps de temps quelle que soit la durée de l'expérience. »
Les chercheurs ont émis l'hypothèse que cette durée de relecture constante peut représenter une unité élémentaire de traitement de l'information dans le cerveau.
« Dans une perspective informatique, il est incroyablement avantageux d'envoyer des paquets d'informations fixes », a déclaré Yartsev. « C'est très efficace car tout ce qui lit cette information sait qu'il arrivera dans ces tailles fixes. »
La question suivante de l'équipe concernait les séquences thêtaises, un type de phénomène d'ensemble qui soutient la relecture et s'appuyer sur des oscillations théâtres dans l'hippocampe. Cependant, contrairement aux rongeurs, les chauves-souris et les humains manquent tous les deux d'oscillations thêta continues, qui se produisent à une fréquence d'environ 8 Hertz, ou huit battements d'ailes par seconde. Fait intéressant, les chercheurs ont trouvé une activité de réseau séquentielle pendant le vol dans les chauves-souris, semblable aux séquences thêta chez les rongeurs, mais avec une différence majeure: contrairement aux rongeurs, les séquences rapides dans les chauves-souris n'avaient aucune relation avec les oscillations thêta, mais étaient, à la place, synchronisées avec les battements d'aile des 8 Hz des chauves-souris.
De la tremblement des moustaches d'une souris aux rythmes de la parole humaine, il existe d'innombrables autres comportements animaux qui se produisent à des fréquences autour de 8 Hz. Les chercheurs émettent l'hypothèse que ces séquences thêta pourraient fournir un mécanisme neuronal universel sur la façon dont ces comportements sont organisés et dirigés dans le cerveau animal.
« Il y a quelque chose dans cette fréquence qui est omniprésente entre les espèces, en particulier les espèces de mammifères », a déclaré Yartsev. « Nos résultats peuvent fournir le début d'une compréhension mécaniste de la base neuronale de ces comportements, non seulement chez les rats et les chauves-souris, mais peut-être aussi dans d'autres espèces comme les humains. »
Un soutien supplémentaire à cette recherche a été fourni par la New York Stem Cell Foundation, la Vallee Foundation et le Howard Hughes Medical Institute.
