Le cerveau crée des «cartes» internes pour nous aider à naviguer et à apprendre de notre environnement, mais comment ces cartes se forment un défi à comprendre. Maintenant, une étude dirigée par Liset M. de la Prida au Cajal Neurosciences Center (CNC-CSIC) à Madrid, en collaboration avec Imperial College London, offre une nouvelle perspective sur la façon dont les informations spatiales et expérienties sont codées dans l'Hippocampus, une région cérébrale clé pour la navigation et la mémoire.
L'étude publiée aujourd'hui dans Neuronerévèle que deux types de neurones hippocampiques fonctionnent complémentairement chez la souris pour générer des cartes spatiales plus sophistiquées et adaptables qu'on ne le pensait auparavant. Les résultats ouvrent de nouvelles voies pour comprendre comment le cerveau traite et représente les informations spatiales, et pourrait avoir des implications pour le développement futur de traitements pour les troubles neurologiques liés à la mémoire et à l'orientation, comme dans la maladie d'Alzheimer.
Les chercheurs ont constaté que deux sous-populations distinctes de neurones pyramidales, classées comme superficielles et profondes en fonction de leur emplacement dans l'hippocampe, réagissent différemment pendant le mouvement et la rotation, permettant au cerveau de générer des représentations géométriques complémentaires.
L'étude montre que les neurones pyramidaux profonds répondent aux changements locaux, tels que la position des meubles dans une pièce. En revanche, les neurones pyramidaux superficiels maintiennent une représentation spatiale plus stable, axée sur des fonctionnalités globales comme l'orientation des fenêtres ou des portes. Cette stabilité est cruciale pour maintenir une référence cohérente de l'environnement.
Cette étude s'appuie sur des recherches reconnues avec le prix Nobel 2014 décerné à May-Britt et Edvard Moser, ainsi que John O'Keefe, pour leurs découvertes sur les cellules de lieu et de grille, qui forment le fondement du système de positionnement du cerveau. Les résultats de Liset M. De la Prida élargissent ces découvertes, offrant une compréhension plus approfondie de la façon dont l'hippocampe code et traite les informations spatiales en intégrant différents cadres de référence.
Espace, vitesse et direction
Pour étudier ces représentations, l'équipe a utilisé des couloirs simples en forme de labyrinthe avec des indices visuels et tactiles, où les souris pouvaient faire des allers-retours. Ils ont découvert que les neurones de couche profonde étaient plus réglés sur l'espace, la vitesse et la direction du mouvement que les neurones superficiels. Fait intéressant, les neurones profonds ont répondu aux points de repère à proximité, tandis que les neurones superficiels étaient plus adaptés aux indices visuels dans l'environnement plus large de la pièce.
Les neurones hippocampiques créent des représentations spatiales abstraites qui agissent comme une carte, permettant l'orientation et la mémoire des expériences passées. Jusqu'à présent, il n'était pas clair comment différents types de neurones ont contribué à ces cartes abstraites, car ces représentations émergent de l'activité collective. C'est comme essayer de déterminer quels musiciens dans un orchestre sont responsables du rythme et desquels pour la mélodie – tandis que tous contribuent, certains jouent des rôles clés dans le résultat final. «
Liset M. de la Prida
La percée a été rendue possible par des techniques d'imagerie avancées qui permettent la visualisation simultanée de centaines de neurones de chaque type. « Nous avons utilisé deux capteurs de couleur différents pour suivre l'activité des cellules superficielles et profondes en temps réel », explique Juan Pablo Quintanilla, le co-auteur responsable de ces expériences. Cette technique d'imagerie cellulaire microendoscopique a été établie pour la première fois en Espagne au Cajal Neurosciences Center du Conseil national de recherche espagnol (CSIC).
Cartes mises à jour en temps réel
Une autre innovation clé de l'étude a été l'utilisation de méthodes topologiques – une branche des mathématiques qui étudie les propriétés des objets géométriques pour décoder la structure de ces cartes neuronales abstraites. Au fur et à mesure que les souris explorent les couloirs, les cartes hippocampiques formées par l'activité de centaines de neurones de chaque sous-population ont pris la forme d'anneaux tridimensionnels.
Lorsque l'environnement change tel que après le réarrangement des meubles dans une pièce, les neurones pyramidaux superficiels réagissent différemment. Cela permet au cerveau de mettre à jour sa carte spatiale tout en préservant des informations cohérentes et flexibles sur l'emplacement et l'orientation malgré des changements externes.
Ces différentes représentations spatiales (locales versus globales) coexistent en parallèle dans l'hippocampe. Cette capacité à maintenir simultanément plusieurs cadres de référence est une caractéristique remarquable des cartes cognitives.
« Les cartes générées par ces deux sous-populations neuronales sont entrelacées, représentant à la fois les informations globales (par exemple, la salle) et locales (par exemple, les meubles) », explique Julio Esparza, un ingénieur biomédical responsable des analyses topologiques.
Pour tester cette flexibilité, les chercheurs ont utilisé la chimiogénétique pour «faire taire» temporairement des types de cellules spécifiques. « Nous avons constaté que nous pouvions faire pivoter les cartes spatiales internes et réorienter les anneaux en faisant taire sélectif des neurones superficiels ou profonds », explique Esparza.
La capacité du cerveau à créer des cartes mentales peut être utilisée pour améliorer la mémoire, comme dans la technique du «palais de mémoire». Cette méthode aide les gens à se souvenir de l'information en imaginant des endroits familiers, comme leur maison ou leur quartier, et en plaçant mentalement des idées à différents endroits pour les rendre plus faciles à rappeler.
Les résultats de l'équipe CSIC ouvrent de nouvelles avenues pour comprendre comment le cerveau traite et représente les informations spatiales et pourrait avoir des implications pour développer des traitements futurs pour les troubles neurologiques liés à la mémoire, tels que la maladie d'Alzheimer.
