Les circuits cérébraux nouvellement décodés rendent les souvenirs plus stables dans le cadre de l'apprentissage, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de NYU Langone Health.
Publié en ligne dans Science Le 30 octobre, l'étude montre que l'activité des voies de signalisation reliant deux régions du cerveau, le cortex entorhinal et la région CA3 de l'hippocampe, aide les souris à coder des cartes de lieux dans les circuits cérébraux.
Des études antérieures ont démontré que le circuit entorhinal/hippocampique est crucial à la fois pour la formation de la mémoire et pour le rappel des souvenirs en complétant des schémas à partir d'indices partiels. Un rappel fiable nécessite que les cartes des lieux de l'hippocampe restent stables, résistant dans une certaine mesure aux changements de l'environnement.
Les problèmes avec les calculs neuronaux CA3 peuvent conduire à des symptômes similaires à ceux de la schizophrénie ou du trouble de stress post-traumatique, disent les auteurs de l'étude – où la stabilité et la précision des souvenirs échouent. Dans ces cas-là, l'éclatement d'un ballon lors d'une fête peut entraîner une réaction de peur glaciale, le cerveau d'un soldat se souvenant à tort de l'explosion d'une bombe.
Notre étude, en se concentrant sur la stabilité des représentations hippocampiques, comble une lacune substantielle dans la compréhension de la façon dont les entrées à longue portée contrôlent les circuits neuronaux essentiels au rappel de la mémoire. »
Jayeeta Basu, PhD, auteur principal de l'étude, professeur adjoint, départements de psychiatrie et de neurosciences, NYU Langone Health
« Une meilleure compréhension des circuits prenant en charge les cartes de lieux pourrait guider la conception future de traitements plus précis pour les conditions qui affectent la mémoire », a ajouté Basu, membre du corps professoral de l'Institut des neurosciences translationnelles de NYU Langone Health et récent lauréat du prix présidentiel de début de carrière pour les scientifiques et les ingénieurs.
L'activité répétée du circuit définit des modèles de mémoire
La nouvelle étude porte sur des cellules cérébrales appelées neurones, qui « se déclenchent » – ou génèrent des oscillations rapides dans l'équilibre de leurs charges positives et négatives – pour transmettre des signaux électriques qui coordonnent les pensées et les souvenirs.
Lorsqu'une charge atteint l'extrémité des extensions d'une cellule cérébrale, elle déclenche la libération de neurotransmetteurs chimiques qui flottent à travers l'espace entre une cellule et la suivante. De l’autre côté, ils s’ancrent dans des protéines qui, selon leur nature, encouragent le déclenchement (excitation) de la cellule nerveuse en aval ou inhibent son déclenchement, expliquent les chercheurs.
Cette combinaison d'excitation et d'inhibition permet d'obtenir un équilibre qui transforme le « bruit » en pensées, un équilibre qui est maintenu lorsque le cerveau n'apprend pas (dans un état de repos). Cependant, au cours de l’apprentissage, l’augmentation de l’excitation code pour de nouveaux souvenirs, et les modèles d’activité des neurones déterminent la spécificité des souvenirs qu’ils représentent. La réactivation de ces neurones selon un schéma défini rappelle un souvenir spécifique et produit le comportement associé – comme une souris qui apprend où les récompenses en eau sucrée se trouvent dans un labyrinthe par rapport à un autre.
L'étude actuelle se concentre sur les neurones dotés de longues extensions qui coordonnent l'activité entre des régions cérébrales distantes. On sait peu de choses sur la manière dont les entrées cellulaires à longue portée influencent les circuits locaux, alors que le cerveau équilibre des modèles stables (de ce qui est déjà connu) avec de nouvelles données (sur des expériences en constante évolution) pour former des souvenirs.
L'équipe de recherche a déterminé que deux types d'extensions à longue portée du cortex entorhinal latéral à la région CA3 signalent en même temps pour stabiliser l'activité des réseaux d'apprentissage des cellules cérébrales. Plus précisément, il a été constaté que les extensions glutamatergiques excitatrices à longue portée (LECGLU) et GABAergiques inhibitrices (LECGABA) augmentent l'activité d'ensembles de neurones interconnectés pour soutenir l'apprentissage.
Les auteurs de l'étude ont examiné les interactions entre les entrées longue portée du LEC et les circuits CA3 au niveau d'une seule cellule. Il a été constaté que LECGLU conduisait l'excitation dans CA3 mais également une inhibition directe qui affinait le déclenchement, tandis que LECGABA supprimait cette inhibition locale pour désinhiber (encourager) l'activité de CA3. Cette action combinée a soutenu la stabilité de CA3 en déclenchant une activité récurrente dans certains circuits, codant des mémoires de lieux.
« Ce travail a disséqué le mécanisme par lequel le cerveau stimule l'excitation des cellules cérébrales pour accorder plus d'attention à certaines informations sensorielles en réduisant l'inhibition dans les microcircuits clés », explique l'auteur de la première étude, Vincent Robert, PhD, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Basu. « L'équipe a détaillé un mécanisme de circuit qui affine le dialogue entre l'excitation, l'inhibition et la désinhibition au service de la formation de la mémoire dépendant du contexte et de la stabilité de la carte des lieux. »
Avec Basu et Robert, les auteurs de l'étude du Département de neurosciences de NYU Langone Health sont Keelin O'Neil, Jason Moore, Shannon Rashid, Cara Johnson et Rodrigo De La Torre du laboratoire Basu. Les autres auteurs sont Boris Zemelman du Centre d'apprentissage et de mémoire de l'Université du Texas à Austin et Claudia Clopath du Département de bio-ingénierie de l'Imperial College de Londres, co-chercheuse principale de Basu pour une subvention R01 de l'Initiative BRAIN des National Institutes of Health (NIH).
Le financement de l'étude a été assuré par les subventions NIH 1R01NS109994, 1R01NS109362-01, 1RM1NS132981-01, 5T32MH019524-30, subvention de formation T32GM007308, 3R01MH122391-04S1, R01MH122391, 1U01 NS099720 (BVZ) et 1U01 NS094330. Un McKnight Scholar Award en neurosciences, le Klingenstein-Simons Fellowship Award en neurosciences, une subvention de recherche de l'Association Alzheimer pour promouvoir la diversité, une bourse de recherche Sloan, un prix de la Fondation Mathers, une subvention de recherche de la Fondation Whitehall, un prix de recherche pour chercheur junior de l'American Epilepsy Society, une bourse de recherche pour jeune chercheur Blas Frangione de l'Université de New York, un prix de la Fondation Leon Levy, un prix Bettencourt pour jeunes chercheurs et la Fondation Emerald ont également apporté leur soutien.
