La relativité inattendue du GPS intégré au cerveau

Comment les nouvelles données changent notre compréhension des neurones de localisation

Les premiers détails du "cerveau GPS intégré" ont commencé à apparaître dans les années 1970. Dans les laboratoires de l'University College London, John O'Keefe et son étudiant Jonathan Dostrovsky ont enregistré l'activité électrique des neurones dans l' hippocampe de rats en mouvement libre. Ils ont trouvé un groupe de neurones qui ne s'activaient que lorsque le rat apparaissait à un certain endroit [ 1 ]. Ils ont appelé ces cellules « placer des neurones ».

Sur la base de ces premières découvertes, O'Keefe et sa collègue Lynn Nadel ont suggéré que l'hippocampe contient une représentation invariante de l'espace qui est indépendante de l'humeur ou des désirs. Ils l'ont appelé une « carte cognitive » [ 2 ]. De leur point de vue, tous les neurones de la place dans le cerveau représentent tout l'environnement de l'animal, et l'activation d'une certaine cellule indique sa position actuelle. En d'autres termes, l'hippocampe fonctionne comme un GPS. Il vous indique où vous vous trouvez sur la carte, et cette carte ne change pas, peu importe si vous avez faim et cherchez de la nourriture, ou si vous voulez dormir et chercher un lit. O'Keefe et Nadel ont suggéré que l'emplacement absolu, dont l'idée est stockée dans les neurones du lieu, fournit une plate-forme mentale que l'animal peut utiliser pour naviguer dans n'importe quelle situation - pour rechercher de la nourriture ou des lieux de repos.



Au cours des 40 années suivantes, d'autres chercheurs - dont Edward et May-Britt Moser, le couple - ont soutenu l'idée que les circuits d'hippocampe fonctionnent comme un GPS intégré [ 3 ]. Pour leur travail de pionnier, O'Keefe et Mosers ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine 2014. Il pourrait être décidé que le rôle de l'hippocampe dans l'orientation des animaux dans l'espace n'était pas élucidé.

Mais l'étude du cerveau n'est jamais aussi simple. Le prix Nobel 2014, comme un match mettant le feu à une mèche, a déclenché une explosion d'expérimentation et d'idées, dont certaines se sont opposées à l'interprétation précoce d'O'Keefe et de Nadel. Un nouveau travail a suggéré que dans le cas de la navigation spatiale, le contour hippocampique ne représente pas des informations de localisation absolues, mais relatives et modifiables sous l'influence de l'expérience. L'exploration de l'hippocampe semble être tombée sur un vieux débat philosophique.

Pendant des siècles, les physiciens se sont penchés sur la question de savoir si l'espace est absolu ou relatif, avant de pencher du côté de la relativité. Mais ce n'est que ces dernières années, en étudiant le cerveau, qu'ils ont commencé à poser des questions similaires. Depuis de nombreuses années, l'espace absolu est en charge de la neurobiologie. Par exemple, on a longtemps supposé que le système visuel avait deux canaux pour la circulation de l'information. [ 4 ] Le premier est le canal «quoi», transmettant des informations sur l'identité de l'objet observé par l'animal. Le second est le canal «où», qui contient des informations sur l'emplacement absolu de l'objet. On pensait que le canal «quoi» ne contenait aucune information de position. Cependant, un travail récent a montré que bien que ce canal ne contienne pas d'informations sur l'emplacement absolu de l'objet, il contient des informations sur l'emplacement relatif. [ 5, 6 ] Ces informations sur l'emplacement relatif sont susceptibles d'être très importantes pour la reconnaissance d'objets.

Ces découvertes servent de point d'appui à l'idée que l'information relative est importante pour le cerveau. Ce point de vue est renforcé par la synthèse récemment entamée de la neurobiologie avec l'informatique et l'IA. Les travaux à l'intersection de ces disciplines ont montré que le cerveau utilisant un modèle mondial absolu et immuable pour la vie dans un environnement en constante évolution nécessite plus de ressources informatiques que le cerveau utilisant des informations relatives. Comprendre où et quand le cerveau utilise des informations absolues et où les informations relatives peuvent éclairer le travail, la flexibilité et la vitesse de ses sous-systèmes et notre comportement. En particulier, l'hippocampe pourrait être l'un des premiers jalons de cette enquête.

Une objection majeure à l'interprétation de la représentation absolue de l'emplacement d'O'Keefe et de Nadel est venue d'un travail l'année dernière parrainé par Kimberly Stachenfeld, Matthew Botvinnik et Samuel Gershman. [ 7 ] Ces chercheurs, associés à Google DeepMind, Princeton University, University College London et Harvard University, ont suggéré que l'hippocampe n'est pas l'emplacement absolu de l'animal, mais où l'animal est le plus susceptible d'aller dans un avenir proche. Cette vue prend en compte les mouvements préférés et les habitudes apprises. De ce point de vue, l'hippocampe est une carte prédictive et non absolue.

Des études antérieures ont montré que l'activité des neurones d'un lieu diminue constamment lorsqu'un animal s'éloigne du centre d'un lieu qui l'intéresse. O'Keefe et Nadel ont décidé qu'il s'agissait d'un signe que les neurones du site représentaient l'emplacement actuel de l'animal. Mais dans le cadre de la plateforme proposée par Stachenfeld et ses collègues, le degré d'activité neuronale est proposé pour être considéré comme une présentation de la probabilité que l'animal soit au centre du lieu d'intérêt au prochain instant. S'il est déjà au centre, la probabilité qu'il soit là au moment suivant est assez élevée, donc l'activité des cellules est également élevée. S'il est allé si loin du centre qu'il ne peut pas y retourner au moment suivant, alors les neurones du lieu sont inactifs.

Les théories d'O'Keefe et de Stachenfeld peuvent sembler similaires, et les deux semblent expliquer les propriétés de base de l'activité des neurones d'un lieu. Cependant, ils font des hypothèses différentes sur la nature de la carte spatiale dans l'hippocampe, et seules des expériences et des tests ingénieux sur des modèles de calcul aideront à séparer les uns des autres. Stachenfeld, Botvinnik et Gershman ont atteint cet objectif en ré-analysant les données des travaux publiés précédemment et en constatant que certains d'entre eux peuvent expliquer leur modèle de travail d'hippocampe, mais pas les modèles traditionnels. Le plus frappant de ces exemples sont les données d'une étude menée par Ellis Alverne et ses collègues de Marseille, France. [ 8 ] Ces chercheurs ont utilisé le «labyrinthe des branches de Tolman», dans lequel le rat devait parcourir le seul chemin du début à la fin. Dans certaines situations, le chemin était fermé, obligeant l'animal à contourner l'obstacle le long de l'un des deux couloirs en forme de C.

Selon l'interprétation de l'activité des neurones selon O'Keefe avec sa carte cognitive, un neurone qui était actif lorsque le rat était à la fourche entre le chemin direct et le bypass devrait être activé de manière égale, que ce chemin soit bloqué ou non. Mais dans l'expérience, une image différente a été observée. Cette cellule se comportait différemment, selon la présence d'un chemin bloqué. Le degré d'activité d'un neurone a été influencé par l'expérience antérieure du rat. Une carte absolue ne devrait pas fonctionner comme ça. De plus, Stachenfeld et ses collègues ont effectué des simulations informatiques pour montrer que l'activité des neurones du site qu'Alvernet et ses collègues ont observé dans leur expérience coïncidait avec leur hypothèse de carte prédictive est bien meilleure que l'hypothèse de carte cognitive d'O'Keeffe.

L'argument de Stachenfeld contre l'interprétation d'O'Keefe-Nadel était que les neurones de localisation n'encodaient pas une position absolue, mais seulement un emplacement relatif à l'histoire des mouvements, de l'expérience et des préférences comportementales. Quelques mois plus tard, une autre série d’études a montré que la localisation d’autres animaux de la même espèce affecte également l’activité des neurones du site. [ 9, 10, 11 ] Dans les travaux publiés cette année, Necam Ulanowski de l'Institut Weismann en Israël et Shigeyosi Fujisawa de l'Institut de recherche sur le cerveau RIKEN au Japon ont entraîné des animaux à se déplacer dans une zone donnée en leur montrant des descentes exécutant d'autres individus de leur genre . En même temps, Ulanovsky utilisait des chauves-souris et Fujisawa utilisait des rats. Lorsque les animaux ont suivi le chemin prescrit, leurs neurones de place étaient censés être activés. Mais c'était une surprise qu'un sous-ensemble de ces neurones du site soit également activé lorsque les animaux observaient les races d'autres individus. Les chercheurs ont appelé ces neurones des «neurones du lieu social».

Les résultats divergent à nouveau de l'interprétation initiale de l'activation des neurones du lieu, les reliant à la localisation absolue dans l'espace. La représentation d'un endroit dans l'hippocampe n'est pas seulement différente de l'absolu - il semble que l'observation des autres puisse l'influencer.

L'activité des neurones de site était beaucoup plus complexe qu'on ne le pensait auparavant. La vision classique du rôle des contours de l'hippocampe dans la navigation spatiale, récompensée par le prix Nobel, n'était pas une description complète de ce qui se passe, et l'hippocampe remplit bien plus de fonctions qu'une simple représentation invariante de l'emplacement du sujet dans l'espace.

L'idée de la prévisibilité des neurones de lieu et de l'impact sur eux de l'apprentissage et du comportement d'autres animaux peut faciliter la construction d'un concept qui peut décrire à la fois le rôle de l'hippocampe dans l'orientation spatiale et le rôle généralement accepté dans l'apprentissage et la formation de la mémoire. Depuis la découverte que l'ablation de l'hippocampe peut entraîner l'impossibilité de former de nouveaux souvenirs, il a été étudié comme l'une des régions du cerveau les plus importantes responsables de la mémoire. [ 12 ] Et même si l'on savait depuis les toutes premières expériences d'O'Keefe et Dostrovsky que l'hippocampe joue un rôle majeur dans la navigation spatiale, comment et pourquoi ce petit morceau du cerveau est capable de stocker des cartes spatiales et des souvenirs complexes est resté mal compris . La compréhension émergente de la relativité de nos cartes spatiales et de l'effet de la mémoire et du comportement sur celles-ci facilite la compréhension de la double fonction de l'hippocampe. Cinquante ans après les premières observations d'O'Keefe et Dostrovsky, nous commençons à comprendre plus clairement comment cette zone clé du cerveau forme nos personnalités.