Comment la technologie peut nous permettre de voir et de manipuler les souvenirs

L'optogénétique et l'imagerie avancée ont aidé les neuroscientifiques à comprendre comment se forment les souvenirs et ont permis de les manipuler.

par

• Josué Sarinana page d'archives

25 août 2021

Il y a 86 milliards de neurones dans le cerveau humain, chacun avec des milliers de connexions, donnant naissance à des centaines de billions de synapses. Les synapses, les points de connexion entre les neurones, stockent des souvenirs. Le nombre écrasant de neurones et de synapses dans notre cerveau fait de la localisation précise d'un souvenir spécifique un formidable défi scientifique.

Comprendre comment les souvenirs se forment peut finalement nous aider à en savoir plus sur nous-mêmes et à garder notre acuité mentale intacte. La mémoire aide à façonner notre identité, et une altération de la mémoire peut indiquer un trouble cérébral. La maladie d'Alzheimer prive les individus de leurs souvenirs en détruisant les synapses ; la dépendance détourne les centres d'apprentissage et de mémoire du cerveau ; et certains problèmes de santé mentale, comme la dépression, sont associés à des troubles de la mémoire.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2021

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À bien des égards, les neurosciences ont révélé la nature des souvenirs, mais elles ont également bouleversé la notion même de ce que sont les souvenirs. Les cinq questions ci-dessous parlent de tout ce que nous avons appris et des mystères qui subsistent.

Peut-on voir des souvenirs dans le cerveau ?

Les neuroscientifiques ont observé les grandes lignes des souvenirs dans le cerveau pendant des décennies. Cependant, ce n'est que récemment qu'ils ont pu voir la représentation physique durable d'une mémoire, appelée engramme de mémoire. Un engramme est stocké dans un réseau de neurones connectés, et les neurones contenant l'engramme peut être fait pour briller afin qu'ils soient visibles à travers des microscopes spéciaux.

Aujourd'hui, les neuroscientifiques peuvent manipuler les engrammes de la mémoire en activant artificiellement leurs réseaux sous-jacents et en insérant de nouvelles informations. Ces techniques mettent également en lumière le fonctionnement des différents types de mémoire et l'endroit où chacun est enregistré dans le cerveau.

La mémoire autobiographique épisodique traite de ce qui s'est passé, où et quand. Il repose sur l'hippocampe, une structure en forme d'hippocampe. Les mémoires procédurales, soutenues par les ganglions de la base, nous rappellent comment réaliser des comportements habituels comme faire du vélo. Cette région fonctionne mal chez les toxicomanes. Notre capacité à rappeler des faits, comme les majuscules des États, est due à la mémoire sémantique, qui est stockée dans le cortex.

Quels outils nous permettent de voir des souvenirs ?

À la fin du 19e siècle, les microscopes de table ont permis d'identifier les neurones individuels, permettant aux scientifiques de dessiner des représentations incroyablement détaillées du cerveau. Au milieu du XXe siècle, de puissants microscopes électroniques pouvaient montrer des structures synaptiques de quelques dizaines de nanomètres de large (environ la largeur d'une particule virale). Au tournant du 21ème siècle, des neuroscientifiques ont utilisé des microscopes à deux photons pour observer la formation de synapses en temps réel pendant que les souris apprenaient.

Des progrès incroyables en génétique ont également permis d'échanger des gènes dans et hors du cerveau pour les lier à la fonction de mémoire. Les scientifiques ont utilisé des virus pour insérer une protéine fluorescente verte trouvée dans les méduses dans le cerveau des souris, provoquant l'illumination des neurones pendant l'apprentissage. Ils ont également utilisé une protéine d'algue appelée channelrhodopsine (ChR2) pour activer artificiellement les neurones. La protéine est sensible à la lumière bleue, donc lorsqu'elle est insérée dans les neurones, les neurones peuvent être activés et désactivés avec un laser bleu, une technique connue sous le nom d'optogénétique. Grâce à cette technologie, qui a été mise au point par des chercheurs de Stanford il y a près de deux décennies, les neuroscientifiques peuvent activer artificiellement des cellules d'engramme de mémoire chez des animaux de laboratoire.

De nouvelles techniques permettent également d'étudier comment les impulsions nerveuses traduisent des informations extérieures dans nos mondes intérieurs. Pour observer ce processus dans le cerveau, les neuroscientifiques utilisent de minuscules électrodes pour enregistrer les impulsions, qui ne durent que quelques millisecondes. Outils analytiques tels que les algorithmes de décodage neuronal peut ensuite éliminer le bruit pour révéler des modèles qui indiquent un centre de mémoire dans le cerveau. Des kits logiciels open source permettent à davantage de laboratoires de neurosciences de mener de telles recherches.

Que nous disent ces outils sur la façon dont les souvenirs sont créés et stockés ?

La façon dont les neurones font partie d'un engramme de mémoire est restée un mystère jusqu'à récemment. Lorsque les neuroscientifiques ont regardé de plus près, ils ont été surpris de voir que les neurones se faisaient concurrence pour stocker des souvenirs. En insérant des gènes dans le cerveau pour augmenter ou diminuer l'excitabilité des neurones, les chercheurs ont appris que les neurones les plus excités de la région feraient partie de l'engramme. Ces neurones empêcheront également activement leurs voisins de faire partie d'un autre engramme pendant une courte période de temps. Cette compétition aide probablement à la formation des souvenirs et montre que l'endroit où les souvenirs sont alloués dans le cerveau n'est pas aléatoire.

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Dans d'autres expériences, les chercheurs ont découvert que les réseaux de neurones s'accrochent aux souvenirs oubliés. Les souris injectées avec un cocktail d'inhibiteurs de protéines développent une amnésie, oubliant probablement des informations parce que leurs synapses se fanent. Mais les chercheurs ont découvert que ces souvenirs n'étaient pas perdus à jamais - les neurones détenaient toujours l'information, bien que sans synapses, elle ne pouvait pas être récupérée (du moins pas sans stimulation optogénétique). Des souris atteintes de la maladie d'Alzheimer ont montré une perte de mémoire similaire.

Une autre découverte concerne la façon dont le rêve renforce nos souvenirs. Les neuroscientifiques pensaient depuis longtemps qu'au fur et à mesure que les expériences de la journée se rejouaient sous forme d'influx nerveux pendant le sommeil, ces souvenirs étaient lentement transférés de l'hippocampe au cortex afin que le cerveau puisse extraire des informations pour créer des règles sur le monde. Ils savaient également que certaines règles étaient synthétisées plus rapidement par le cortex, mais les modèles existants ne pouvaient pas expliquer comment cela se produisait. Récemment, cependant, des chercheurs ont utilisé des outils optogénétiques dans des études animales pour montrer que l'hippocampe travaille également à établir ces mémoires corticales qui se forment rapidement.

L'hippocampe aide à créer rapidement des engrammes de mémoire immatures dans le cortex, dit Takashi Kitamura , professeur adjoint au centre médical du sud-ouest de l'Université du Texas. L'hippocampe enseigne toujours le cortex, mais sans les outils optogénétiques, nous n'aurions peut-être pas observé les engrammes immatures.

Les souvenirs peuvent-ils être manipulés ?

Les souvenirs ne sont pas aussi stables qu'ils pourraient l'être . De par leur nature même, ils doivent être susceptibles de changer, sinon l'apprentissage serait impossible.

Il y a près d'une décennie, des chercheurs du MIT ont génétiquement modifié des souris de sorte que lorsque leurs neurones étaient actifs pendant l'apprentissage, cette activité activait le gène ChR2, qui était attaché à une protéine fluorescente verte. En voyant quels neurones fluorescents, les neuroscientifiques ont pu identifier ceux qui étaient impliqués dans l'apprentissage. Et ils pourraient réactiver des souvenirs spécifiques en faisant la lumière sur les gènes ChR2 associés à ces neurones.

Avec cette capacité, les chercheurs du MIT ont inséré un faux souvenir dans le cerveau des souris. Ils ont d'abord placé les souris dans une boîte triangulaire, qui a activé des gènes et des neurones ChR2 spécifiques. Ensuite, ils ont placé les souris dans une boîte carrée et ont administré des chocs à leurs pieds tout en éclairant les neurones ChR2 associés au premier environnement.

Finalement, les souris ont associé le souvenir de la boîte triangulaire aux chocs même si elles n'ont été choquées que lorsqu'elles se trouvaient dans la boîte carrée. Les animaux avaient peur d'un environnement qui, techniquement parlant, n'avait jamais rien de 'mal' arrivé, dit Steve Ramírez , co-auteur de l'étude qui est maintenant professeur adjoint de neurosciences à l'Université de Boston.

Il n'est pas possible d'utiliser de telles techniques impliquant des câbles à fibres optiques et des lasers pour expérimenter sur le cerveau humain, mais les résultats sur le cerveau des souris suggèrent la facilité avec laquelle les souvenirs peuvent être manipulés.

Pouvons-nous voir des souvenirs en dehors du cerveau ?

Les souvenirs humains peuvent être reconstruits visuellement à l'aide de scanners cérébraux . Dans les recherches menées par Brice Kuhl , qui est maintenant professeur adjoint de neurosciences cognitives à l'Université de l'Oregon, les gens ont reçu des images à voir et leur cerveau a été scanné avec un appareil IRM pour mesurer quelles régions étaient actives. Un algorithme a ensuite été formé pour deviner ce que la personne regardait et reconstruire une image basée sur cette activité. L'algorithme a également reconstruit les images des participants à qui on a demandé de tenir l'une des images qu'ils ont vues dans leur esprit.

Il y a beaucoup de place pour l'amélioration de ces images reconstruites, mais ce travail a montré que les algorithmes de neuroimagerie et de reconstruction peuvent en effet montrer le contenu des souvenirs humains pour que les autres puissent le voir.

La technologie a permis aux neuroscientifiques de scruter le cerveau et de voir les minuscules traces lumineuses de la mémoire. Pourtant, la découverte que les expériences et les connaissances peuvent être implantées ou externalisées a également donné à la mémoire un sens différent. Qu'est-ce que cela signifie pour notre sens de qui nous sommes?

Josué Sarinana est neuroscientifique, écrivain et photographe d'art.