Un mystère fondamental du cortex humain est de savoir comment ses 16 milliards de neurones intègrent ou lient les nombreux types d’informations qu’ils encodent en une seule expérience ou mémoire unifiée cohérente.
Les scientifiques ont émis l’hypothèse qu’une telle liaison implique des oscillations à haute fréquence ou des « ondulations » qui favorisent les interactions neuronales, un peu comme le fait le rythme dans la musique ou la danse. Dans un article publié le 7 juillet 2022 dans PNASdes chercheurs de la faculté de médecine de l’Université de Californie à San Diego fournissent certaines des premières preuves empiriques que de telles ondulations se produisent effectivement chez les humains.
« Pensez à l’expérience de caresser votre chat : sa forme, son emplacement, son environnement, sa couleur, sa sensation, son mouvement et son, ainsi que vos propres émotions et actions en réponse. Ils sont tous liés dans un tout cohérent », a déclaré l’auteur principal Eric Halgren, PhD, professeur de radiologie à l’UC San Diego School of Medicine.
« Ces différents aspects de l’expérience sont encodés dans des endroits répartis sur la surface corticale du cerveau, et l’expérience est sous-servie par leur schéma de déclenchement spatio-temporel. Le mystère a été de savoir comment les activités dans ces différents endroits sont connectées. »
Des études antérieures, principalement chez des rongeurs, avaient montré que des ondulations dans une autre structure, l’hippocampe, organisent la répétition de ces schémas spatio-temporels pendant le sommeil, ce qui est essentiel pour pérenniser les souvenirs.
L’équipe de l’UC San Diego, dirigée par Halgren, a découvert que des ondulations se produisent également dans toutes les zones du cortex humain, à la veille comme au sommeil. Les ondulations étaient brèves, d’une durée d’environ un dixième de seconde, et avaient une fréquence étroite constante proche de 90 cycles par seconde. Les auteurs ont calculé qu’un bref événement d’ondulation typique peut impliquer environ 5 000 petits modules devenant actifs simultanément, répartis sur la surface corticale.
Ce travail fait partie de la thèse de doctorat en neurosciences du premier auteur Charles W. Dickey.
« Remarquablement, les ondulations se sont produites simultanément et se sont synchronisées dans tous les lobes et entre les deux hémisphères, même à de longues distances », a déclaré Dickey. « Les neurones corticaux ont augmenté le déclenchement pendant les ondulations, au rythme des ondulations, soutenant potentiellement l’interaction entre des emplacements distants.
« Il y avait plus de co-occurrences précédant un rappel de mémoire réussi. Tout cela suggère que les co-ondulations corticales distribuées favorisent l’intégration de différents éléments qui peuvent comprendre une mémoire expérientielle particulière. »
Les chercheurs ont découvert que les ondulations corticales sont souvent couplées à des ondulations hippocampiques et intégrées dans des oscillations plus lentes (1 et 12 cycles par seconde). Ces rythmes plus lents sont orchestrés par une structure centrale contrôlant les niveaux d’activité corticale, le thalamus, et modulent la décharge neuronale, nécessaire à la consolidation de la mémoire.
« Comme notre expérience est organisée hiérarchiquement dans le temps, il en va de même pour les rythmes qui organisent nos activités corticales qui créent cette expérience », a déclaré Halgren.
La recherche impliquait des analyses d’enregistrements d’une semaine effectués directement à partir de l’intérieur du cerveau de 18 patients surveillés pour localiser l’origine de leurs crises d’épilepsie. Les travaux en cours dans le laboratoire de Halgren démontrent que les schémas de déclenchement neuronal dans différentes parties du cortex sont plus mutuellement prédictifs lors de la co-ondulation, et la co-ondulation est associée à la liaison des lettres en mots et aux significations avec des actions.
« Comme toute autre recherche fondamentale qui augmente notre compréhension du fonctionnement du monde, il est impossible de savoir quelles seront ses implications pratiques », a déclaré Halgren. « Mais je voudrais noter que la schizophrénie, une maladie courante et incurable, se caractérise par une fragmentation mentale. Nos découvertes et celles d’autres indiquent qu’un type particulier d’interneurone inhibiteur est crucial pour la génération d’ondulations, et ces cellules sont connues pour être sélectivement touchés par la schizophrénie, tout comme les oscillations à haute fréquence. Peut-être sommes-nous un peu plus près de trouver un mécanisme pour un aspect de cette maladie tragique.
