Mémoire d'impact sur les rythmes neuronaux
Le cerveau apprend en modifiant la force de ses synapses - les connexions entre les neurones - en réponse à des stimuli. Maintenant, dans une découverte qui remet en question la sagesse conventionnelle sur les mécanismes cérébraux d'apprentissage, les neurophysiciens de l'UCLA ont découvert qu'il existe un «rythme» cérébral optimal, ou fréquence, pour modifier la force synaptique.
Et, comme les stations sur un cadran radio, chaque synapse est réglée sur une fréquence optimale différente pour l'apprentissage.
Les chercheurs pensent que les résultats pourraient conduire à une théorie unifiée des mécanismes qui sous-tendent l'apprentissage dans le cerveau - une découverte qui pourrait éventuellement conduire à de nouvelles thérapies pour traiter les troubles d'apprentissage.
L'étude apparaît dans le numéro actuel de la revue Frontières de la neuroscience computationnelle.
«De nombreuses personnes ont des troubles de l’apprentissage et de la mémoire, et au-delà de ce groupe, la plupart d’entre nous ne sont ni Einstein ni Mozart», a déclaré Mayank R. Mehta, Ph.D., auteur principal de l’article. "Nos travaux suggèrent que certains problèmes d'apprentissage et de mémoire sont causés par le fait que les synapses ne sont pas réglées sur la bonne fréquence."
Un changement de la force d'une synapse en réponse à des stimuli - connu sous le nom de plasticité synaptique - est induit par ce que l'on appelle des «trains de pics», une série de signaux neuronaux qui se produisent avec une fréquence et un timing variables.
Des expériences antérieures utilisaient des centaines de pics consécutifs dans la gamme de très hautes fréquences pour induire la plasticité. Cependant, ce n'est pas le cas lorsque le cerveau est activé lors de tâches comportementales réelles, car les neurones ne déclenchent qu'une dizaine de pics consécutifs, et non plusieurs centaines. Et ils le font à une fréquence beaucoup plus basse - généralement dans la plage de 50 pics par seconde.
Jusqu'à présent, les chercheurs étaient incapables de mener des expériences qui simulaient des niveaux plus naturels.
Dans la nouvelle étude, Mehta et son co-auteur Arvind Kumar, Ph.D., ont pu obtenir ces mesures pour la première fois à l'aide d'un modèle mathématique sophistiqué qu'ils ont développé et validé avec des données expérimentales.
Contrairement à ce qui était supposé précédemment, Mehta et Kumar ont constaté que lorsqu'il s'agit de stimuler les synapses avec des modèles de pics naturels, la stimulation des neurones aux fréquences les plus élevées n'était pas le meilleur moyen d'augmenter la force synaptique.
«À notre grande surprise, nous avons constaté qu'au-delà de la fréquence optimale, le renforcement synaptique diminuait à mesure que les fréquences augmentaient.»
La connaissance qu'une synapse a une fréquence préférée pour un apprentissage maximal a conduit les chercheurs à comparer des fréquences optimales en fonction de l'emplacement de la synapse sur un neurone.
Les neurones ont la forme d'arbres, le noyau étant la base de l'arbre, les dendrites ressemblant aux branches étendues et les synapses ressemblant aux feuilles de ces branches.
Lorsque Mehta et Kumar ont comparé l'apprentissage synaptique en fonction de l'emplacement des synapses sur les branches dendritiques, ce qu'ils ont trouvé était significatif: la fréquence optimale d'induction de l'apprentissage synaptique a changé en fonction de l'emplacement de la synapse. Plus la synapse était éloignée du corps cellulaire du neurone, plus sa fréquence optimale était élevée.
"Incroyablement, quand il s'agit d'apprentissage, le neurone se comporte comme une antenne géante, avec différentes branches de dendrites réglées sur différentes fréquences pour un apprentissage maximal", a déclaré Mehta.
Les chercheurs ont découvert que non seulement chaque synapse a une fréquence préférée pour obtenir un apprentissage optimal, mais pour le meilleur effet, la fréquence doit être parfaitement rythmée - chronométrée à des intervalles précis. Même à la fréquence optimale, si le rythme était interrompu, l'apprentissage synaptique était considérablement diminué.
Leurs recherches ont également montré qu'une fois qu'une synapse apprend, sa fréquence optimale change. En d'autres termes, si la fréquence optimale pour une synapse naïve - une synapse qui n'a encore rien appris - était, disons, 30 pics par seconde, après apprentissage, cette même synapse apprendrait de manière optimale à une fréquence plus basse, disons 24 pics par seconde. . Ainsi, l'apprentissage lui-même modifie la fréquence optimale d'une synapse.
Ce processus de «désaccord» induit par l'apprentissage a des implications importantes pour le traitement des troubles liés à l'oubli, tels que le trouble de stress post-traumatique, ont déclaré les chercheurs.
Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, les résultats soulèvent la possibilité que des médicaments puissent être développés pour «réaccorder» les rythmes cérébraux des personnes souffrant de troubles d'apprentissage ou de mémoire, ou que beaucoup plus d'entre nous pourraient devenir Einstein ou Mozart si le rythme cérébral optimal était délivré. à chaque synapse.
«Nous savons déjà qu'il existe des médicaments et des stimuli électriques qui peuvent modifier les rythmes cérébraux», a déclaré Mehta. «Nos résultats suggèrent que nous pouvons utiliser ces outils pour fournir le rythme cérébral optimal à des connexions ciblées afin d'améliorer l'apprentissage.»
Source: UCLA
