Comment le cerveau ressent le temps

Chercheurs de l'Institut norvégien des neurosciences systémiques. L'Institut Kavli pour les neurosciences des systèmes a découvert un réseau de cellules cérébrales qui déterminent notre sens du temps dans les expériences et les souvenirs.

«Ce réseau fournit des horodatages pour les événements et assure le suivi des événements dans les expériences passées», a déclaré le professeur Edvard Moser, lauréat du prix Nobel et directeur de l'Institut Kavli, situé à l'Université norvégienne des sciences et de la technologie. , NTNU). La zone du cerveau qui détecte le temps est située à proximité immédiate de la zone responsable de la perception de l'espace.

Expression du temps

Une montre est un appareil créé par l'humanité pour mesurer le temps. En acceptant un contrat social tacite, nous coordonnons nos propres activités avec le temps horaire. Cependant, notre cerveau ne perçoit pas la durée des périodes en unités standard - minutes et heures, comme sur votre montre-bracelet. Les signatures temporaires dans nos expériences et nos souvenirs ont des caractéristiques temporelles complètement différentes.

Au cours de l'évolution, les organismes vivants, y compris les humains, ont développé plusieurs horloges biologiques qui nous aident à suivre le temps. Les différences entre les différents chronomètres dans le cerveau résident non seulement dans les échelles de temps qu'ils mesurent, mais aussi dans les phénomènes auxquels l'horloge neuronale est réglée. Certains chronomètres sont contrôlés par des processus externes: par exemple, les rythmes circadiens sont définis pour le lever et le coucher du soleil. Cette montre aide le corps à s'adapter au rythme quotidien.

D'autres chronomètres sont réglés par des phénomènes internes, tels que les cellules hippocampiques, qui créent un signal de chaîne, comme l'effet domino, qui mesure assez précisément des périodes de temps allant jusqu'à 10 secondes. Aujourd'hui, nous connaissons la plupart des mécanismes cérébraux utilisés pour mesurer le temps à petite échelle (par exemple, en secondes). En revanche, on en sait peu sur la chronologie que le cerveau utilise pour enregistrer nos expériences et nos souvenirs, qui peuvent durer de quelques secondes à quelques minutes et heures.

Horloge neurale pour un temps d'expérience

L'horloge neuronale qui suit le temps que vous vivez est exactement ce qui a été découvert, selon Albert Tsao et ses collègues du Cavley Institute of Systemic Neuroscience du NTNU.

En enregistrant l'activité d'une population de cellules cérébrales, les chercheurs ont identifié un signal stable codant le temps au plus profond du cerveau.

«Notre étude révèle comment le cerveau donne un sens au temps à mesure qu'un événement est vécu», explique Cao, «ce réseau n'encode pas explicitement le temps. Ce que nous mesurons est plus probablement une sensation subjective de temps, qui est générée par le cours d'événements vécus. »

Les horloges neuronales gèrent l'organisation du déroulement de notre expérience dans une séquence ordonnée d'événements. Cette activité génère des heures dans le cerveau pour le temps subjectif. Ainsi, l'expérience et la séquence d'événements qu'elle contient sont la substance à partir de laquelle le temps subjectif est généré et mesuré par le cerveau.

Espace temporaire et mémoire dans le cerveau

«Aujourd'hui, nous avons une assez bonne compréhension de la façon dont notre cerveau perçoit l'espace, alors que notre connaissance du temps n'est pas si complète», explique le professeur Moser.

«L'espace dans le cerveau est relativement facile à explorer. Il se compose de types de cellules spécialisés qui sont isolés pour des fonctions spécifiques. Ensemble, ils forment la base du système », a-t-il ajouté.

En 2005, May-Britt et Edward Moser ont découvert des réseaux de neurones qui tracent notre environnement à différentes échelles sur une carte composée de blocs hexagonaux. En 2014, Moser a partagé le prix Nobel de physiologie ou médecine pour avoir découvert les cellules qui composent le système de positionnement dans le cerveau avec ses collègues et mentor John O'Keefe de l'University College London.

En 2007, inspiré par la découverte par Moser de réseaux neuronaux codant pour l'espace, Albert Cao (alors doctorant à l'Institut Cavley) s'est donné pour tâche de démêler les phénomènes se produisant dans le mystérieux cortex entorhinal latéral (LEC). Cette zone du cerveau est située près du cortex entorhinal médian (MEC), où des réseaux neuronaux ont été découverts par ses dirigeants - Moser et autres.

«J'espérais trouver des cellules actives clés similaires qui révéleraient la fonctionnalité de ce réseau neuronal», explique Cao. Cette tâche a abouti à un long projet.

«Il semblait qu'il n'y avait aucun schéma dans l'activité de ces cellules. Le signal a changé tout le temps », explique le professeur Moser.

Et ce n'est qu'au cours des deux dernières années, les chercheurs ont commencé à suggérer que le signal change réellement au fil du temps. Du coup, les données précédemment enregistrées avaient du sens.


Cette illustration montre le temps épisodique d'une expérience de ski de 4 heures d'une montagne escarpée, y compris des événements qui ont influencé la perception du skieur du temps. L'idée est que le temps vécu dépend des événements et peut être perçu plus rapidement ou plus lentement que le temps sur l'horloge.

Un record récemment découvert de temps d'expérience se trouve dans le cortex entorhinal latéral (LEC), marqué en vert. Près du LEC se trouve le MEC, la région du cerveau responsable de la perception spatiale (non marquée sur l'illustration). À côté du MEC se trouve l'hippocampe, une structure dans laquelle les informations provenant des réseaux du temps et de l'espace sont combinées pour former des mémoires épisodiques.

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«Le temps est un processus déséquilibré. Il est toujours unique et variable », explique le professeur Moser,« si ce réseau encode vraiment le temps, le signal doit changer au fil du temps pour que l'expérience soit enregistrée comme une mémoire unique. »

Avancées technologiques

Il suffisait à Moser et à sa compagnie de déchiffrer le signal d'un seul réseau neuronal pour trouver comment l'espace est codé dans le cortex entorhinal médial. Le déchiffrement du temps dans le cortex entorhinal latéral s'est révélé être une tâche beaucoup plus difficile. En regardant simplement l'activité dans des centaines de cellules, Cao et ses collègues ont pu voir que le signal codait le temps.

«L'activité dans ces réseaux de neurones est tellement répartie que le mécanisme lui-même réside probablement dans la structure des connexions au sein de ces réseaux. Le fait qu'il puisse prendre la forme de différents modèles uniques implique un haut degré de plasticité », explique le professeur Moser,« je pense que les réseaux distribués et les combinaisons de structures d'activité méritent une attention particulière à l'avenir. Dans ce travail, nous avons trouvé un domaine si étroitement lié au temps des événements ou des expériences qu'il pourrait engendrer un tout nouveau domaine de recherche. »

Formulaire de temps

La structure du temps est depuis longtemps un sujet de débat parmi les philosophes et les physiciens. Que peut nous dire le mécanisme cérébral récemment découvert pour le temps épisodique sur la façon dont nous percevons le temps? Notre perception du temps est-elle linéaire, comme une rivière, ou cyclique, comme une roue ou une spirale? Les données de recherche de Cavli indiquent que les deux sont vraies et qu'un signal dans un réseau de codage temporel peut prendre de nombreuses formes différentes, selon l'expérience.

En 2016, le candidat au doctorat Jørgen Sugar a rejoint le projet Cavley pour mener un nouvel ensemble d'expériences qui testerait l'hypothèse selon laquelle le réseau LEC code le temps épisodique. Dans une expérience, un rat a présenté un large éventail d'expériences et d'options d'action. Elle était libre de courir, d'explorer et de chasser des morceaux de chocolat, visitant une série d'environnements ouverts.

«L'unicité du signal horaire au cours de cette expérience suggère que le rat avait un très bon enregistrement du temps et de la séquence temporelle des événements au cours de l'expérience de deux heures», explique Sugar, «Nous avons pu utiliser le signal du réseau de codage temporel pour suivre avec précision quand ou un autre événement pendant l'expérience. "

Dans la deuxième expérience, la tâche était plus structurée, avec un éventail plus restreint d'expériences et d'options d'action. Le rat a été formé pour chasser des morceaux de chocolat en tournant à gauche ou à droite dans un labyrinthe en forme de 8.

«Dans cette activité, nous avons vu que le temps d'encodage du signal est passé de séquences uniques dans le temps à un motif répétitif et se chevauchant partiellement», explique Cao, «D'autre part, le signal temporel est devenu plus précis et prévisible au cours de tâches répétées. Les données suggèrent que le rat avait un sens du temps raffiné à chaque tour, mais un mauvais sens du temps d'un tour à l'autre et du début à la fin de l'expérience. »

Le professeur Moser soutient que l'étude montre que lorsque vous changez l'activité dans laquelle vous êtes impliqué, lorsque vous changez le contenu de votre expérience, vous changez en fait les signaux temporels dans la LEC, et donc la façon dont vous percevez le temps.