Le néocortex est la partie la plus grande et la plus complexe du cerveau et a longtemps été considéré comme le site de stockage ultime des souvenirs à long terme. Mais comment y sont déposées les traces d’événements et d’expériences passées ? Des chercheurs de la faculté de médecine de l’Université de Fribourg, dirigés par le professeur Johannes Letzkus et l’Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau, ont découvert qu’une zone peu étudiée du cerveau, la « zone d’incertitude » ou « zona incerta », communique avec le néocortex de manière non conventionnelle pour contrôler rapidement la formation de la mémoire. Leurs travaux fournissent la première analyse fonctionnelle de la façon dont l’inhibition à longue portée façonne le traitement de l’information dans le néocortex. Les signaux identifiés dans cette étude sont probablement critiques non seulement pour la mémoire, mais aussi pour un certain nombre de fonctions cérébrales supplémentaires, telles que l’attention. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue Neurone.
Les « signaux Top-Down » au coeur de la recherche
La mémoire est l’une des fonctions les plus fondamentales du cerveau, permettant aux gens d’apprendre de l’expérience et de se souvenir du passé. De plus, une compréhension mécaniste de la mémoire a des implications qui peuvent aller du traitement des troubles de la mémoire et de l’anxiété au développement de l’intelligence artificielle et à la conception efficace de matériel et de logiciels. Pour former des souvenirs, le cerveau doit établir des liens entre les signaux sensoriels « ascendants » de l’environnement et les signaux « descendants » générés en interne qui transmettent des informations sur les expériences passées et les objectifs actuels. Ces signaux descendants sont au centre des recherches actuelles.
Ces dernières années, les chercheurs ont commencé à identifier un certain nombre de ces systèmes de projection descendante, qui partagent tous un certain nombre de caractéristiques communes : ils signalent par excitation synaptique, la manière standard d’envoyer des informations entre les régions corticales, et ils présentent également un régime commun pour le codage de la mémoire. Un stimulus avec une pertinence apprise suscite une réponse plus forte dans ces systèmes, ce qui suggère que cette potentialisation positive est une pièce du puzzle qu’est la trace mnésique.
Influence sur le fonctionnement du réseau
Contrairement à ces systèmes, les voies inhibitrices à longue portée sont beaucoup plus rares et moins nombreuses, mais des preuves de plus en plus nombreuses suggèrent qu’elles peuvent encore avoir des effets étonnamment robustes sur la fonction et le comportement du réseau », déclare le professeur Johannes Letzkus, professeur à l’Université de Freiburg et ancien chef de groupe de recherche à l’Institut Max Planck pour le cerveau « Nous avons cherché à déterminer si de telles entrées pouvaient être présentes dans le néocortex et, le cas échéant, comment elles pourraient contribuer de manière unique à la mémoire. »
Dr. Anna Schröder, premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral au laboratoire Letzkus, a décidé de se concentrer sur un noyau sous-thalamique à prédominance inhibitrice, la zona incerta, pour répondre à cette question. Alors que la fonction de cette région du cerveau reste aussi mystérieuse que son nom l’indique, ses découvertes préliminaires ont indiqué que la zona incerta envoie des projections inhibitrices qui innervent sélectivement les régions du néocortex connues pour être importantes pour l’apprentissage. Dans ses efforts pour étudier la plasticité de ce système à toutes les étapes de l’apprentissage, elle a mis en œuvre une approche innovante qui lui a permis de suivre les réponses des synapses individuelles de la zone incertée dans le néocortex avant, pendant et après un paradigme d’apprentissage.
Redistribution des activités pendant l’apprentissage
« Les résultats ont été frappants », se souvient Schroeder. « Alors qu’environ la moitié des synapses ont développé des réponses positives plus fortes pendant l’apprentissage, l’autre moitié a fait exactement le contraire. En effet, ce que nous avons observé était donc une redistribution complète de l’inhibition au sein du système due à l’apprentissage. » Cela suggère que les synapses de zona incerta encodent l’expérience précédente d’une manière unique et bidirectionnelle. Cela était particulièrement clair lorsque les scientifiques ont comparé l’ampleur de la plasticité avec la force de la mémoire acquise. Ils ont trouvé une corrélation positive, qui montre que les projections de zona incerta encodent la pertinence apprise des stimuli sensoriels.
Dans des expériences distinctes, Schroeder a découvert que le silence de ces projections pendant la phase d’apprentissage altère la trace de la mémoire plus tard, indiquant que la plasticité bidirectionnelle se produisant dans ces projections est nécessaire pour l’apprentissage. Elle a également découvert que ces projections inhibitrices forment préférentiellement des connexions fonctionnelles avec d’autres neurones inhibiteurs du néocortex, formant en fait un circuit désinhibiteur à longue portée. « Cette connectivité implique qu’une activation de la zona incerta devrait entraîner une excitation nette des circuits néocorticaux », explique Schroeder. « Cependant, combiner cela avec la redistribution de l’inhibition que nous voyons avec l’apprentissage montre que cette voie a probablement des conséquences informatiques encore plus riches pour le traitement néocortical. »
Changements dans la représentation du stimulus
Les scientifiques ont été particulièrement intrigués par la population de synapses de zona incerta qui présentaient une potentialisation négative, car ce type de plasticité n’avait jamais été observé auparavant dans les voies excitatrices descendantes précédemment étudiées. Ils ont estimé que les approches informatiques pourraient fournir des informations précieuses sur la façon dont ces réponses uniques se développent. Des analyses plus approfondies en collaboration avec le laboratoire du professeur Henning Sprekeler et son équipe de l’Université technique de Berlin ont révélé que, remarquablement, ces réponses négatives sont le principal moteur des changements dans la représentation des stimuli qui se produisent pendant l’apprentissage lui-même.
De plus, la zona incerta fait partie des très rares régions généralement ciblées pour la stimulation cérébrale profonde chez les patients humains atteints de la maladie de Parkinson, ouvrant une possibilité intrigante de travail translationnel à l’avenir. « En fin de compte, cette étude, espérons-le, inspirera également d’autres chercheurs à continuer d’explorer le rôle de l’inhibition à longue portée dans la régulation de la fonction néocorticale, à la fois de la zona incerta et de sources supplémentaires, encore à identifier », déclare Letzkus.
