Les souvenirs à long terme peuvent ne pas « rester » dans le cerveau pour les raisons que nous pensions, révèle une étude sur des souris en hibernation artificielle.
Au lieu de s’appuyer sur de nombreux liens individuels et forts entre les neurones – qui seraient généralement réduits pendant l’hibernation – les souvenirs durables semblent nécessiter des modèles de connectivité de plus haut niveau, selon l’étude.
« Cette architecture topologique du réseau plus large semble être plus importante » que les connexions individuelles et solides, a déclaré le co-auteur de l’étude. Kazumasa Tanakachef de l’unité de recherche sur la mémoire à l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa.
Les résultats, publiés jeudi 13 août dans la revue Sciencepeut compliquer l’image du fonctionnement de la rétention de mémoire.
Tanaka et ses collègues ont utilisé l’hibernation pour étudier la mémoire, car des études antérieures sur des animaux en hibernation ont montré que leur cerveau rétrécissait et réduisait les connexions de cellule à cellule pendant ces périodes prolongées de faible activité métabolique. Dans le même temps, l’activité du cerveau ralentit à un rythme effréné et on pense que la perte de connexions est liée à ce mécanisme d’économie d’énergie.
Malgré ce rétrécissement du cerveau, les animaux en hibernation, comme marmottes alpines (marmota marmota) et Spermophiles européens (Spermophilus citellus), conservent encore les souvenirs qu’ils ont formés avant d’entrer en hibernation. « Certaines études rapportent que leurs souvenirs sont intacts, même après, afin qu’ils puissent se souvenir de leurs congénères (membres de la même espèce), comme leurs amis, ou qu’ils puissent se souvenir de l’emplacement de leur nourriture », a déclaré Tanaka à Live Science.
La nouvelle étude visait à répondre à la question de savoir ce qui permet à ces souvenirs de persister même après la disparition de nombreuses connexions entre les cellules cérébrales.
Un « interrupteur » dans le cerveau pour activer l’hibernation
Un dogme central des neurosciences veut que les souvenirs se créent lorsque les connexions entre les neurones se renforcent.
Grâce à un processus appelé potentialisation à long terme (LTP), les neurones qui envoient des messages chimiques fréquents à leurs voisins commencent à émettre davantage de ces signaux. À leur tour, leurs voisins deviennent plus sensibles aux signaux en augmentant leur nombre de récepteurs et la taille de leurs épines dendritiques – les structures physiques qui reçoivent les informations d’autres neurones. En fin de compte, la LTP forge un lien fort au point de rencontre de deux neurones, appelé synapse.
Un vieil adage en neurosciences résume l’idée : « Les neurones qui s’activent ensemble se connectent ensemble ».
« Je ne pense pas que notre étude s’oppose à cette hypothèse de la LTP », a déclaré Tanaka, notant que de nombreuses études soutiennent l’idée selon laquelle la LTP est essentielle au cerveau pour forger de nouveaux souvenirs. Cependant, lorsqu’il s’agit de conserver des souvenirs au fil du temps, la LTP n’est peut-être pas l’ingrédient le plus essentiel.
Études récentes ont découvert que les structures des souvenirs dans le cerveau sont effectivement très dynamique. Plutôt que de s’appuyer sur un ensemble strict et cohérent de connexions entre des neurones spécifiques, ces traces physiques de souvenirs « dérivent » au fil du temps, en quelques jours, a noté Tanaka. À mesure qu’une mémoire dérive, les connexions originales renforcées par LTP qui constituaient cette mémoire peuvent être perdues – et pourtant, la mémoire persiste.
La question est de savoir comment.
La nouvelle étude s’est concentrée sur hippocampeun centre majeur de traitement de la mémoire dans le cerveau. Il se concentrait sur les souvenirs épisodiques, c’est-à-dire ceux liés à des événements spécifiques et à des expériences personnelles. Ces souvenirs naissent dans l’hippocampe, y restent pendant un certain temps, puis sont transférés vers d’autres parties du cerveau pour un stockage à très long terme. Ce transfert peut prendre des semaines, des mois ou plus, et certains neuroscientifiques pensent les détails contextuels des souvenirs – tels que l’environnement dans lequel ils se sont formés – restent à jamais ancré dans l’hippocampe.
Dans ce cas, les chercheurs se sont intéressés à cette période initiale de stockage de la mémoire dans l’hippocampe. Ils ont donc fait subir plusieurs expériences à des souris de laboratoire pour leur imprégner de nouveaux souvenirs. Dans une expérience, on leur avait appris à associer un réglage spécifique à un léger choc sur leurs pattes ; dans un autre, ils avaient appris l’emplacement des pastilles de sucre placées dans un labyrinthe.
Ensuite, ils ont poussé ces souris en hibernation artificielle pendant deux jours, en activer un ensemble spécial de neurones dans le cerveau qui avaient été identifiées lors de travaux antérieurs. En quelques minutes seulement, le cerveau des souris a commencé à changer.
« Nous savions qu’un certain degré de remodelage avait lieu, mais le degré était bien plus important que ce à quoi nous nous attendions », a déclaré Tanaka. En 30 minutes, le cerveau réduisait déjà les synapses, et en 24 heures, ils « ont découvert que plus de la moitié des synapses avaient déjà disparu », a-t-il déclaré.
Des souvenirs complètement intacts
Malgré ce changement radical dans l’hippocampe, les souris se sont souvenues de ce qu’elles avaient appris avant l’hibernation. Après l’hibernation, les souris se sont figées sur place lorsqu’elles ont été placées dans l’environnement où elles ont été choquées, et dans le labyrinthe, elles ont navigué vers la nourriture aussi facilement qu’avant l’hibernation – ce qui indique qu’elles se souvenaient des deux événements.
« Si l’on compare les animaux avec ou sans hibernation, leurs comportements ne sont pas du tout différents », a déclaré Tanaka.
Pour comprendre comment cela pourrait être possible, l’équipe a comparé les souris en hibernation à un autre groupe de souris de laboratoire, qui ont été placées sous anesthésie à long terme et traitées avec une molécule qui empêche les neurones de renforcer leurs synapses. Ce dernier groupe de souris a également connu une perte dramatique de synapses, mais contrairement aux souris en hibernation, leurs souvenirs ne sont pas restés après le traitement. Qu’est-ce qui a fait la différence ?
En examinant de plus près les deux ensembles de cerveaux, les scientifiques ont repéré une distinction : chez les souris en hibernation, certains groupes de synapses semblaient résilients et ont survécu à l’abattage.
Ces connexions épargnées avaient tendance à être des hubs où un seul neurone envoyant des messages sortants se connectait à plusieurs cellules voisines, diffusant ses messages. Ils sont également apparus dans des endroits où de nombreuses épines dendritiques – les points où les neurones reçoivent des messages – étaient regroupées et recevaient des messages de plusieurs neurones à la fois.
« Cette structure unique est préservée pendant l’hibernation, a déclaré Tanaka. « Sous anesthésie, nous avons constaté qu’elles étaient complètement perturbées. »
La taille des épines dendritiques ne semble pas avoir d’importance, a-t-il ajouté. C’était ce schéma de regroupement qui semblait être la clé de la survie des souvenirs.
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Pour l’avenir, il reste encore beaucoup à apprendre sur ces clusters et leur relation avec la rétention de mémoire. Les scientifiques travaillent désormais à caractériser les clusters au niveau moléculaire. À terme, ils espèrent manipuler la structure et la formation des clusters pour voir ce que cela fait à la mémoire. Ils mènent également des expériences pour comprendre comment le cerveau épargne préférentiellement ces groupes tout en supprimant de nombreuses autres connexions dans l’hippocampe, a déclaré Tanaka.
Au-delà des neurosciences, la recherche pourrait aider les ingénieurs à concevoir de meilleures façons de stocker les données dans les systèmes informatiques, a-t-il noté. Mais lorsqu’il s’agit de la mémoire des créatures vivantes, l’étude permet aux scientifiques de mieux comprendre comment les traces physiques de la mémoire dans le cerveau peuvent tellement changer sans sacrifier les souvenirs eux-mêmes.
« Avec cette étude », a déclaré Tanaka, « nous venons d’ouvrir une autre porte pour résoudre ce problème ».
