Les cellules de lieu, quelque chose comme notre cerveau GPS

L’orientation et l’exploration dans des espaces nouveaux ou inconnus est l’une des facultés cognitives que nous utilisons le plus souvent. Nous l'utilisons pour nous guider dans notre maison, notre quartier, pour aller au travail.

Nous en dépendons également lorsque nous nous rendons dans une ville nouvelle et inconnue. Nous l'utilisons même lorsque nous conduisons et, éventuellement, le lecteur aura été victime d'une imprudence dans son orientation ou dans celle d'un compagnon, qui l'aura condamné à la perte, étant obligé de faire le tour avec la voiture jusqu'à ce qu'il donne avec le bon itinéraire.

Ce n'est pas la faute de l'orientation, c'est la faute de l'hippocampe

Toutes ces situations sont souvent frustrantes et nous amènent à maudire notre orientation ou celle des autres par des insultes, des cris et des comportements divers. Bien, parce qu'aujourd'hui je vais donner un coup de pinceau dans les mécanismes d'orientation neurophysiologiques, dans notre Cerveau GPS nous comprendre.

Nous commencerons par être spécifiques: nous ne devrions pas maudire l’orientation car c’est seulement un produit de notre activité neuronale dans des régions spécifiques. Par conséquent, nous allons commencer par maudire notre hippocampe.

L'hippocampe en tant que structure cérébrale

Évolutivement, l'hippocampe est une structure ancienne, il fait partie de l'arquiculture, c'est-à-dire des structures phylogénétiquement plus anciennes chez notre espèce. Anatomiquement, il fait partie du système limbique, dans lequel se trouvent également d'autres structures telles que l'amygdale. Le système limbique est considéré comme le substrat morphologique de la mémoire, des émotions, de l'apprentissage et de la motivation.

Le lecteur, s'il est habitué à la psychologie, saura que l'hippocampe est une structure nécessaire à la consolidation des mémoires déclaratives, c'est-à-dire avec ces mémoires à contenu épisodique sur nos expériences ou encore, sémantiques (Nadel et O'Keefe, 1972)..

La preuve en est la abondance des études sur le cas populaire du "patient HM", un patient dont les hémisphères temporaux ont été enlevés, ce qui a provoqué une amnésie antérograde dévastatrice, c’est-à-dire qu’il ne pouvait pas mémoriser de faits nouveaux bien de vos souvenirs d'avant l'opération. Pour ceux qui veulent aller plus loin dans ce cas, je recommande les études de Scoville et Millner (1957) qui ont étudié le patient de manière exhaustive. HM.

Les cellules de lieu: que sont-elles?

Jusqu'à présent, nous ne disons rien de nouveau ni d'étonnant. Mais c’est en 1971 que, par hasard, un fait qui a généré le début de l’étude des systèmes de navigation dans le cerveau a été découvert. O'keefe et John Dostrovski, utilisant des électrodes intracrâniennes, pourrait enregistrer l'activité de neurones spécifiques de l'hippocampe chez le rat. Cela offrait la possibilité que, lorsqu’il effectuait différents tests comportementaux, l’animal soit éveillé, conscient et se déplace librement.

Ce qu'ils ne s'attendaient pas à découvrir, c'est qu'il y avait des neurones qui répondaient de manière sélective en fonction de la région où se trouvait le rat. Ce n'est pas qu'il y avait des neurones spécifiques à chaque position (il n'y a pas de neurone pour votre salle de bain, par exemple), mais qu'ils ont été observés dans des cellules CA1 (une région spécifique de l'hippocampe) qui ont marqué des points de référence pouvant être adaptés à différents espaces..

Ces cellules ont été appelées placer des cellules. Par conséquent, ce n’est pas qu’il existe un neurone de lieu pour chaque espace spécifique que vous fréquentez, mais plutôt des points de référence vous rapportant à votre environnement; C’est ainsi que se forment les systèmes de navigation égocentriques. Les neurones en place formeront également des systèmes de navigation allocentriques qui relieront des éléments d'espace entre eux.

Programmation innée vs expérience

Cette découverte a laissé perplexe de nombreux neuroscientifiques qui considéraient l'hippocampe comme une structure d'apprentissage déclarative et qui voyaient maintenant comment il était capable de coder des informations spatiales. Cela a donné lieu à l'hypothèse de la "carte cognitive" qui postulerait qu'une représentation de notre environnement serait générée dans l'hippocampe.

De même que le cerveau est un excellent générateur de cartes pour d’autres modalités sensorielles telles que le codage des signaux visuels, auditifs et somatosensoriels; il n'est pas déraisonnable de penser à l'hippocampe comme une structure générant des cartes de notre environnement et garantissant notre orientation à cet égard.

La recherche est allée plus loin et a mis ce paradigme à l’épreuve dans des situations très différentes. On a vu, par exemple, que les cellules de la place dans les tâches de labyrinthe tirent lorsque l'animal commet des erreurs ou lorsqu'il est dans une position dans laquelle le neurone tirerait habituellement (O'keefe et Speakman, 1987). Lors de tâches dans lesquelles l'animal doit se déplacer dans des espaces différents, il a été constaté que les neurones localisés tirent en fonction de l'origine et de la destination de l'animal (Frank et al., 2000)..

Comment les cartes spatiales sont formées

Un autre des principaux domaines d’intérêt de la recherche dans ce domaine a été la formation de ces cartes spatiales. D'une part, nous pourrions penser que les cellules de localisation établissent leur fonction en fonction de l'expérience que nous recevons lorsque nous explorons un environnement, ou nous pourrions penser qu'il s'agit d'un composant sous-jacent de nos circuits cérébraux, c'est-à-dire inné. La question n'est pas encore claire et nous pouvons trouver des preuves empiriques qui soutiennent les deux hypothèses.

D'une part, les expériences de Monaco et d'Abbott (2014), qui ont enregistré l'activité d'un grand nombre de cellules, ont montré que lorsqu'un animal est placé dans un nouvel environnement, plusieurs minutes s'écoulent jusqu'à ce que ces cellules commencent à tirer avec La normalité Donc, les cartes géographiques s’exprimeraient d’une certaine manière à partir du moment où un animal entre dans un nouvel environnement, mais l'expérience modifierait ces cartes à l'avenir.

On pourrait donc penser que la plasticité cérébrale joue un rôle dans la formation de cartes spatiales. Ensuite, si la plasticité joue réellement un rôle, on s’attendrait à ce que les souris knock-out au récepteur NMDA du neurotransmetteur glutamate - c’est-à-dire aux souris n’exprimant pas ce récepteur - ne génèrent pas de cartes spatiales car ce récepteur joue un rôle fondamental dans la plasticité cérébrale et l'apprentissage.

La plasticité joue un rôle important dans la maintenance des cartes spatiales

Cependant, ce n'est pas le cas et il a été constaté que les souris knock-out au récepteur NMDA ou les souris traitées pharmacologiquement pour bloquer ce récepteur expriment des schémas de réponse similaires des cellules dans des environnements nouveaux ou familiers. Cela suggère que l'expression des cartes spatiales est indépendante de la plasticité cérébrale (Kentrol et al., 1998). Ces résultats appuieraient l'hypothèse selon laquelle les systèmes de navigation sont indépendants de l'apprentissage.

Malgré tout, en utilisant la logique, les mécanismes de la plasticité cérébrale doivent être clairement nécessaires à la stabilité dans la mémoire des cartes récemment formées. Et, s'il n'en était pas ainsi, à quoi servirait l'expérience que l'on forme en se promenant dans les rues de sa ville? N'aurions-nous pas toujours le sentiment que c'est la première fois que nous entrons dans notre maison? Je crois que, comme dans tant d'autres occasions, les hypothèses sont plus complémentaires qu'il n'y paraît et, d'une certaine manière, malgré le fonctionnement inné de ces fonctions., la plasticité a un rôle à jouer dans le maintien de ces cartes spatiales en mémoire.

Réseaux, adresses et cellules périphériques

Il est assez abstrait de parler de cellules de localisation et probablement plus d’un lecteur a été surpris que la même région du cerveau qui génère des souvenirs serve, pour ainsi dire, au GPS. Mais nous n’avons pas fini et le meilleur reste à venir. Maintenant, bouclons vraiment la boucle. Initialement, on pensait que la navigation dans l'espace dépendrait exclusivement de l'hippocampe quand on s'aperçut que les structures adjacentes telles que le cortex entorhinal présentaient une très faible activation en fonction de l'espace (Frank et al., 2000)..

Cependant, dans ces études, l'activité dans les zones ventrales du cortex entorhinal a été enregistrée et dans les études ultérieures, les zones dorsales ont été enregistrées, lesquelles ont un plus grand nombre de connexions à l'hippocampe (Fyhn et al., 2004). Donc il a été observé que de nombreuses cellules de cette région ont tiré en fonction de la position, semblable à l'hippocampe. Jusqu'à présent, on s'attend à ce qu'ils obtiennent des résultats, mais lorsqu'ils ont décidé d'augmenter la surface à enregistrer dans le cortex entorhinal, ils ont eu une surprise: parmi les groupes de neurones activés en fonction de l'espace occupé par l'animal, il existait des zones apparemment silencieuses, c'est-à-dire non activé Lorsque les régions qui présentaient une activation étaient pratiquement jointes, des motifs se présentaient sous la forme d’hexagones ou de triangles. Ils ont appelé ces neurones du cortex entorhinal "globules rouges".

Lorsque les globules rouges ont été découverts, il était possible de résoudre le problème de la formation des cellules. Si les cellules placent de nombreuses connexions des cellules du réseau, il n’est pas déraisonnable de penser qu’elles sont formées à partir d’elles. Cependant, encore une fois, les choses ne sont pas si simples et les preuves expérimentales n’ont pas confirmé cette hypothèse. Les motifs géométriques qui forment les cellules du réseau n'ont pas encore été interprétés..

Les systèmes de navigation ne sont pas réduits à l'hippocampe

La complexité ne s'arrête pas là. Encore moins quand on a vu que les systèmes de navigation ne sont pas réduits à l'hippocampe. Cela a permis d'élargir les limites de la recherche à d'autres régions du cerveau, découvrant ainsi d'autres types de cellules liées aux cellules du lieu: Cellules de pilotage et cellules de bord.

Les cellules directrices coderaient la direction dans laquelle le sujet se déplace et se situait dans le noyau tegmental dorsal du tronc cérébral. D'autre part, les cellules périphériques sont des cellules qui augmentent leur cadence de tir lorsque le sujet s'approche des limites d'un espace donné et peuvent être trouvées dans la région de l'hippocampe spécifique au subiculum. Nous allons offrir un exemple simplifié dans lequel nous allons essayer de résumer la fonction de chaque type de cellule:

Imaginez que vous êtes dans la salle à manger de votre maison et que vous voulez aller à la cuisine. Puisque vous êtes dans la salle à manger de votre maison, vous aurez une cellule de pièce qui tirera pendant que vous resterez dans la salle à manger, mais puisque vous voulez aller à la cuisine, vous aurez également une autre cellule de pièce activée qui représente la cuisine. L'activation sera claire car votre maison est un espace que vous connaissez parfaitement et l'activation peut être détectée à la fois dans les cellules du lieu et dans le réseau de cellules..

Maintenant, commencez à marcher vers la cuisine. Il y aura un groupe de cellules d'adresse spécifiques qui seront maintenant activées et ne changeront pas tant que vous maintiendrez une direction spécifique. Maintenant, imaginez que pour aller à la cuisine, vous devez tourner à droite et traverser un étroit couloir. Dès que vous tournez, vos cellules d’adresse le sauront et un autre ensemble de cellules d’adresse enregistrera l’adresse qui a été activée et les précédentes seront désactivées..

Imaginez également que le couloir est étroit et que tout faux mouvement peut vous faire heurter le mur, de sorte que vos cellules latérales augmentent votre cadence de tir. Plus vous vous rapprochez du mur du couloir, plus le ratio de mise à feu montre vos cellules de bord. Pensez aux cellules latérales comme aux capteurs de certaines nouvelles voitures et émettant un signal sonore lorsque vous vous garez pour vous garer. Les cellules de bord Ils fonctionnent de la même manière que ces capteurs: plus ils se rapprochent, plus ils font de bruit.. Lorsque vous arrivez à la cuisine, vos cellules de lieu vous auront indiqué que le message est arrivé de manière satisfaisante et que votre environnement est plus large, vos cellules de bord se détendent..

Simplons tout compliquer

Il est curieux de penser que notre cerveau a des moyens de connaître notre position. Mais il reste une question: comment concilier mémoire déclarative et navigation spatiale dans l'hippocampe? En d'autres termes, comment nos souvenirs influencent-ils ces cartes? Ou pourrait-il être que nos souvenirs ont été formés à partir de ces cartes? Pour essayer de répondre à cette question, nous devons réfléchir un peu plus loin. D’autres études ont montré que les mêmes cellules qui codent l’espace, dont nous avons déjà parlé, codent également le temps.. Ainsi, il a été question de cellules temporelles (Eichenbaum, 2014) qui codifierait la perception du temps.

La chose surprenante à propos de l'affaire est que de plus en plus de preuves soutenant l'idée que les cellules de lieu sont les mêmes que les cellules de temps. Ensuite, le même neurone utilisant les mêmes impulsions électriques est capable de coder l’espace et le temps. La relation entre le codage du temps et de l’espace dans les mêmes potentiels d’action et leur importance dans la mémoire reste un mystère.

En conclusion: mon opinion personnelle

Mon avis à ce sujet? En enlevant ma robe de scientifique, je peux dire que l'être humain a l'habitude de penser à l'option facile et nous aimons penser que le cerveau parle le même langage que nous. Le problème est que le cerveau nous offre une version simplifiée de la réalité qu'il traite lui-même. D'une manière similaire aux ombres de la grotte de Platon. Ainsi, tout comme dans la physique quantique, les barrières de ce que nous comprenons comme la réalité sont brisées, dans le domaine des neurosciences, nous découvrons que dans le cerveau, les choses sont différentes du monde que nous percevons consciemment et nous devons avoir un esprit très ouvert. pourquoi être comme nous les percevons vraiment.

Antonio Damasio a l'habitude de répéter beaucoup dans ses livres: le cerveau est un excellent générateur de carte. Peut-être que le cerveau interprète le temps et l'espace de la même manière pour cartographier nos souvenirs. Et si cela vous semble chimérique de penser qu'Einsten, dans sa théorie de la relativité, l’une des théories qu’il a postulées était que le temps ne pouvait être compris sans espace, et inversement. Résoudre ces mystères est sans aucun doute un défi, et encore plus quand ils constituent des aspects difficiles de l'étude des animaux..

Cependant, aucun effort ne doit être épargné sur ces questions. D'abord par curiosité. Si nous étudions l'expansion de l'univers ou les ondes gravitationnelles récemment enregistrées, pourquoi ne pas étudier comment notre cerveau interprète le temps et l'espace? Et, deuxièmement, de nombreuses pathologies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer présentent une désorientation espace-temps comme premiers symptômes. Connaissant les mécanismes neurophysiologiques de ce codage, nous pourrions découvrir de nouveaux aspects qui aideront à mieux comprendre l'évolution pathologique de ces maladies et, qui sait, s'il faut découvrir de nouvelles cibles pharmacologiques ou non pharmacologiques..

Références bibliographiques:

• Eichenbaum H. 2014. Cellules temporelles dans l'hippocampe: une nouvelle dimension pour la cartographie des mémoires. Nature 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Codage de trajectoire dans l'hippocampe et le cortex entoral. Neurone 27: 169-178.
• Fyhn M, Molden S, député Witter, Moser EI, Moser M-B. 2004. Représentation spatiale dans le cortex entorhinal. Science 305: 1258-1264
• Kentros C, E. Hargreaves, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Suppression de la stabilité à long terme des nouvelles cartes de cellules de localisation hippocampiques par blocage des récepteurs NMDA. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Réalignement modulaire de l'activité des cellules de la grille comme base du remappage de l'hippocampe. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Activité individuelle dans l'hippocampe de souris au cours d'une tâche de mémoire spatiale. Exp Brain Res 68: 1 -27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Perte de mémoire récente après l'hippocampe bilatérale. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.