L'étude de la réalité virtuelle des souris donne de nouveaux indices sur la mémoire

Une nouvelle méthode de recherche qui intègre la réalité virtuelle et l'imagerie cérébrale est utilisée pour apprendre comment le cerveau forme des souvenirs à court terme utilisés dans la prise de décision.

Les chercheurs de l'Université de Princeton ont étudié les rats alors qu'ils négociaient un labyrinthe virtuel. En suivant l'activité cérébrale des souris, ils ont découvert des schémas séquentiels de l'activité neuronale lorsque le cerveau tient une mémoire.

Des recherches antérieures étaient centrées sur l'idée que les populations de neurones se déclenchent avec des schémas similaires les uns aux autres pendant la période de mémoire.

Les résultats éclairent ce qui se passe dans le cerveau pendant la «mémoire de travail», lorsque l'esprit stocke des informations pendant de courtes périodes de temps avant d'agir ou de les intégrer à d'autres informations.

La mémoire de travail est un élément central du raisonnement, de la compréhension et de l'apprentissage. On pense que certains troubles cérébraux tels que la schizophrénie impliquent des déficits de la mémoire de travail.

«Des études comme celle-ci visent à comprendre les principes de base de l'activité neuronale pendant la mémoire de travail dans le cerveau normal. Cependant, les travaux pourraient à l'avenir aider les chercheurs à comprendre comment l'activité pourrait être modifiée dans les troubles cérébraux qui impliquent des déficits de la mémoire de travail », a déclaré le chercheur David Tank, Ph.D.

Dans l'étude, les modèles de déclenchement neuronal séquentiel correspondaient au fait que la souris tournait à gauche ou à droite lorsqu'elle naviguait dans un labyrinthe à la recherche d'une récompense. Différents modèles correspondaient à différentes décisions prises par les souris, ont découvert les chercheurs de Princeton.

Les schémas de déclenchement neuronaux séquentiels couvraient la période d'environ 10 secondes nécessaire à la souris pour former une mémoire, la stocker et prendre une décision sur la direction à prendre. Au cours de cette période, on a observé que des sous-ensembles distincts de neurones se déclenchent en séquence.

Les chercheurs affirment que les résultats contrastent avec de nombreux modèles existants sur la façon dont le cerveau stocke les souvenirs et prend des décisions.

Le caractère unique des séquences de virage à gauche et de virage à droite signifiait que les expériences d'imagerie cérébrale ont essentiellement permis aux chercheurs d'effectuer une forme simple de «lecture de l'esprit». En imaginant et en examinant l'activité cérébrale au début de la descente de la souris dans le labyrinthe, les chercheurs ont pu identifier la séquence d'activité neuronale produite et prédire de manière fiable dans quelle direction la souris allait tourner plusieurs secondes avant le début du virage.

Les séquences d'activité neuronale découvertes dans la nouvelle étude se déroulent dans une partie du cerveau appelée cortex pariétal postérieur. Des études antérieures chez des singes et des humains indiquent que le cortex pariétal postérieur fait partie du cerveau qui est importante pour la planification des mouvements, l'attention spatiale et la prise de décision.

La nouvelle étude est la première à l'analyser chez la souris. «Nous espérons qu'en utilisant la souris comme système modèle, nous serons en mesure d'utiliser de puissantes approches génétiques pour comprendre les mécanismes de processus cognitifs complexes», a déclaré le co-auteur Christopher Harvey, Ph.D.

Un aspect unique de cette étude était l'utilisation de la réalité virtuelle pour créer un labyrinthe, plutôt qu'un labyrinthe physique traditionnel. Cette approche est en cours de développement dans le laboratoire Tank depuis plusieurs années.

Les souris ont marché et couru sur la surface d'un tapis roulant sphérique tandis que leur tête restait stationnaire dans l'espace, ce qui est idéal pour l'imagerie cérébrale. Des vues générées par ordinateur d'environnements virtuels ont été projetées sur un écran grand angle entourant le tapis roulant. Le mouvement de la sphère produit par la marche et la rotation de la souris a été détecté par des capteurs optiques sur l’équateur de la balle et utilisé pour modifier l’affichage visuel pour simuler le mouvement dans un environnement virtuel.

Pour imager le cerveau, les chercheurs ont utilisé un microscope optique qui utilisait une lumière laser infrarouge pour regarder profondément sous la surface afin de visualiser une population de neurones et d'enregistrer leur déclenchement.

Le système de réalité virtuelle, combiné au système d'imagerie et à un capteur de calcium, a permis aux chercheurs de voir des populations de neurones individuels se déclencher dans le cerveau en activité. «C'est comme si nous ouvrions un ordinateur et examinions tous les signaux à l'intérieur pour comprendre comment cela fonctionne», a déclaré Tank.

Les chercheurs admettent que les études de populations de neurones individuels, appelées mesures de résolution cellulaire, sont difficiles car le cerveau contient des milliards de neurones étroitement regroupés.

L'instrumentation développée par le laboratoire Tank est l'une des rares à pouvoir enregistrer la mise à feu de groupes de neurones individuels dans le cerveau lorsqu'un sujet est éveillé. La plupart des études sur la fonction cérébrale chez l'homme impliquent l'étude de l'activité dans des régions entières du cerveau à l'aide d'un outil tel que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) qui fait la moyenne de l'activité de plusieurs milliers de neurones.

"Les données révèlent assez clairement qu'au moins une forme de mémoire à court terme est basée sur une séquence de neurones passant l'information de l'un à l'autre, une sorte de 'brigade de seau neuronale'", a déclaré Christof Koch, un neuroscientifique qui était pas impliqué dans l'étude.

L'étude a été publiée en ligne dans la revue La nature.

Source: Université de Princeton