Une étude historique publiée par des scientifiques de l'Université de Californie San Diego redéfinit la compréhension de la façon dont l'apprentissage se déroule. Les résultats, publiés dans la revue Nature et soutenu par les National Institutes of Health et la US National Science Foundation, fournissent de nouvelles informations sur la façon dont le câblage du cerveau change pendant les périodes d'apprentissage, offrant une voie vers de nouvelles thérapies et technologies qui aident les troubles neurologiques.
Pendant de nombreuses années, les neuroscientifiques ont isolé le cortex moteur primaire du cerveau (M1), une zone dans la région du lobe frontal, en tant que centre pour envoyer des signaux liés à des mouvements complexes lors d'épisodes d'apprentissage. Plus récemment, le thalamus moteur, situé au centre du cerveau, a été impliqué comme une zone qui influence M1 pendant les fonctions d'apprentissage moteur.
Mais même avec de telles progrès, les preuves manquaient comment Ce processus d'apprentissage se déroule, principalement en raison de la nature complexe de la surveillance des interactions des cellules dans les zones cérébrales.
Une équipe de recherche dirigée par le laboratoire du professeur Takaki Komiyama a utilisé de puissantes techniques de recherche neurobiologique pour décrire ces mécanismes chez la souris pour la première fois. En utilisant l'imagerie de haute technologie et une nouvelle méthode d'analyse des données, les chercheurs ont identifié la voie thalamocorticale, un pont de communication entre le thalamus et le cortex, comme le domaine clé qui est modifié pendant l'apprentissage.
Au-delà de l'identification de la voie principale, les chercheurs ont constaté que les liens entre les régions changent physiquement pendant l'apprentissage. L'apprentissage moteur fait bien plus que d'ajuster les niveaux d'activité, il sculpte le câblage du circuit, affinant la conversation entre le thalamus et le cortex au niveau cellulaire.
Nos résultats montrent que l'apprentissage va au-delà des changements locaux – il remodèle la communication entre les régions du cerveau, ce qui le rend plus rapide, plus fort et plus précis. L'apprentissage ne change pas seulement quoi Le cerveau fait – ça change comment Le cerveau est câblé pour le faire. «
Assaf Ramot, auteur principal de l'étude et érudit postdoctoral dans le laboratoire de Komiyama
L'étude, au cours de laquelle les souris ont appris des mouvements spécifiques, a révélé que l'apprentissage provoque une réorganisation ciblée de l'interaction thalamus et cortex. En période d'apprentissage, le thalamus s'est avéré activer les neurones M1 pour coder le mouvement appris et stopper l'activation des neurones non impliqués dans le fait que le mouvement est appris.
« During learning, these parallel and precise changes are generated by the thalamus activating a specific subset of M1 neurons, which then activate other M1 neurons to generate a learned activity pattern, » said Komiyama, a professor in the Departments of Neurobiology (School of Biological Sciences) and Neurosciences (School of Medicine), with appointments in the Halıcıoğlu Data Science Institute (School of Computing, Information and Data Sciences) et Institut Kavli pour le cerveau et l'esprit.
Pour mettre l'activité des neurones spécifiques au foyer – un aperçu clé de l'étude – les chercheurs ont développé une nouvelle méthode analytique appelée partagée (partage de la découverte de représentation) avec le professeur adjoint de neurobiologie Marcus Benna et l'étudiant diplômé Felix Taschbach, les coauteurs de l'étude.
Selon Taschbach, qui a dirigé le développement de la procédure d'analyse des données, l'identification des comportements qui sont généralement codés sur différents sujets présente un défi important car les comportements et leurs représentations neuronaux peuvent varier substantiellement entre les animaux. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé partagé, qui identifie une seule représentation comportementale partagée qui est en corrélation avec l'activité neuronale sur différents sujets, ce qui leur permet de cartographier des caractéristiques comportementales subtiles à l'activité de différents neurones chez chaque animal.
Les méthodes existantes appliquent généralement l'alignement artificiel pour réduire la variabilité individuelle – similaire à ce que tout le monde suive exactement la même voie vers une destination. En revanche, les fonctions partagées comme identifier les monuments aident constamment les voyageurs à naviguer, quels que soient leurs choix de route spécifiques. La méthode partagée a été essentielle aux résultats de l'étude.
« Cette nouvelle méthode nous permet de combiner des données de plusieurs expériences pour faire des découvertes détaillées qui n'auraient pas été possibles en utilisant uniquement le nombre limité de neurones pertinents enregistrés dans un cerveau individuel », a déclaré Benna, neuroscientifique informatique et auteur de co-correspondant de cette étude.
La nouvelle étude est la deuxième récemment dirigée par le laboratoire Komiyama qui illumine la façon dont nos cerveaux apprennent. En avril, William Wright, Nathan Hedrick et Komiyama ont publié une étude en Science Cela décrit les multiples règles que les neurones suivent lors des épisodes d'apprentissage, avec des synapses dans différentes régions suivant différentes règles.
Avec Nature Les résultats de l'étude, les chercheurs ont renforcé la science de la compréhension du processus d'apprentissage avec un nouveau modèle complet de la façon dont les circuits neuronaux sous-jacents émergent pendant l'apprentissage. Les nouvelles informations offrent également de l'espoir à ceux qui souffrent de troubles neurologiques.
« L'étude montre que l'apprentissage n'est pas seulement la répétition », a déclaré Ramot. « Il s'agit de votre cerveau se recâblant littéralement de manière ciblée. Que vous appreniez une nouvelle compétence, que vous vous remettiez d'un AVC ou que vous utilisiez un neuroprosthétique, comprendre comment les régions du cerveau réorganisent leur communication nous aide à concevoir de meilleures thérapies et technologies qui fonctionnent avec les mécanismes d'apprentissage naturels du cerveau. «
Le document est dédié à la mémoire d'un WU, un scientifique adjoint du projet dans le laboratoire de Komiyama qui est tragiquement décédé dans un incendie du bâtiment de Montréal en 2023. On se souvient de lui comme une brillante neuroscientifique qui a élevé les nombreuses vies qu'elle a touchées.
