Pendant des décennies, les scientifiques pensaient que les neurones étaient les seuls architectes de la pensée et de la mémoire du cerveau – mais maintenant, de nouvelles recherches suggèrent qu’un autre type de cellule cérébrale souvent négligée peut jouer un rôle plus central dans la mémoire qu’on ne le pensait auparavant.
L’étude, publiée en mai dans la revue PNApropose que ces autres cellules cérébrales, appelées astrocytes, pourraient être responsables de l’impressionnante capacité de stockage de mémoire du cerveau à travers un nouveau type d’architecture de réseau.
Les astrocytes sont des cellules en forme d’étoile qui effectuent de nombreuses tâches de maintenance dans le cerveau, notamment en nettoyant les débris cellulaires, en fournissant des neurones avec des nutriments et en régulant le flux sanguin. Ils arborent également de minces structures de ramification, appelées processus, qui enveloppent les points où les neurones échangent des messages. Cet emballage forme ce qu’on appelle une synapse tripartite, une sorte de poignée de main à trois impliquant les deux neurones connectés et l’astrocyte.
« Vous pouvez imaginer un astrocyte comme une pieuvre avec des millions de tentacules », a déclaré l’auteur principal Leo Kozachkovqui était doctorant au MIT au moment où l’étude a été menée et est maintenant boursier postdoctoral chez IBM Research à Yorktown Heights, New York. « La tête de la pieuvre est le corps cellulaire, et les tentacules sont des » processus « qui s’enroulent autour des synapses à proximité », a déclaré Kozachkov à Live Science dans un e-mail.
Les astrocytes ne transmettent pas les impulsions électriques comme le font les neurones. Au lieu de cela, ils communiquent via la signalisation du calcium, envoyant des vagues de particules de calcium chargées à l’intérieur et entre les cellules. Des études ont montré que les astrocytes réagissent à l’activité synaptique en modifiant leurs niveaux de calcium internes. Ces changements peuvent ensuite déclencher la libération de messagers chimiques de l’astrocyte dans la synapse.
« Ces processus agissent comme de minuscules ordinateurs de calcium, détectant lorsque des informations sont envoyées par la synapse, transmettant ces informations à d’autres processus, puis recevant des commentaires en retour », a déclaré Kozachkov. En fin de compte, cet e-mail de chaîne revient aux neurones, ce qui ajuste leur activité à son tour. Cependant, les chercheurs ne comprennent pas encore complètement les fonctions de calcul précises que les astrocytes exécutent avec les informations qu’ils reçoivent des neurones.
Pour mieux comprendre cette fonction, Kozachkov et ses collègues se sont tournés vers des architectures d’apprentissage automatique capables de représenter des interactions complexes entre de nombreux acteurs, plutôt que de ne capturer que des connexions simples entre des paires d’unités.
Les réseaux traditionnels d’apprentissage automatique qui lient uniquement les paires de neurones peuvent encoder des informations limitées, a déclaré l’auteur de l’étude senior Dmitry Krotovun membre du personnel de recherche au MIT-IBM WATSON AI LAB et IBM Research. Parce qu’un seul astrocyte pouvait se connecter à des milliers de synapses, l’équipe a émis l’hypothèse que les astrocytes pourraient médier la communication entre toutes ces connexions. Cela pourrait expliquer comment le cerveau réalise ses capacités de stockage massives, ont-ils proposé.
« La structure anatomique unique des astrocytes offre une façon très naturelle et tentante de concevoir ces grands systèmes de stockage d’informations dans le matériel biologique », a déclaré Kozachkov à Live Science dans un e-mail.
Les chercheurs ont également émis l’hypothèse que les astrocytes stockent des souvenirs par des changements progressifs dans leurs modèles de calcium internes et que ces modèles sont ensuite traduits en signaux qui sont envoyés aux neurones sous forme de messagers chimiques. Dans ce modèle, chaque processus d’astrocyte, plutôt que la cellule entière, fonctionne comme une unité de calcul distincte, a proposé l’équipe.
« Notre modèle n’a pas besoin de beaucoup de neurones pour stocker beaucoup de souvenirs », a déclaré Kozachkov. « Il s’agit d’un avantage significatif du point de vue de l’efficacité énergétique, car les neurones sont métaboliquement » coûteux « . »
Le modèle propose une « explication biologiquement ancrée » sur la façon dont ces systèmes de stockage de mémoire pourraient fonctionner dans le cerveau, a déclaré Maurizio de Pittàprofesseur adjoint au Krembil Research Institute de Toronto, au Canada, qui n’a pas été impliqué dans l’œuvre. Passé études avec des microscopes à haute résolution ont soutenu cette vue, montrant que les processus d’astrocytes sont entrelacés dans tout le cerveau et entrez en contact avec plusieurs synapses.
Cependant, De Pittà a déclaré à Live Science dans un e-mail que « les modèles sont des outils puissants, mais ils restent des approximations du monde réel ». Il a également averti que les technologies actuelles ne peuvent pas encore saisir pleinement la dynamique qui se déroule dans le cerveau humain en temps réel, et ce niveau de détail serait nécessaire pour valider l’hypothèse.
Bien que les scientifiques commencent à réaliser que les astrocytes jouent un rôle dans la façon dont nous formons des souvenirs, a déclaré de Pittà, nous n’avons toujours pas de preuve claire que les interactions spécifiques basées sur le calcium entre ces cellules et le cerveau aident à créer, stocker ou rappeler des souvenirs, comme le suggère l’équipe du MIT. Si le modèle de l’équipe s’avère correct, cependant, les implications pourraient offrir une nouvelle façon de penser au stockage du cerveau, ce qui suggère que la capacité de mémoire pourrait évoluer avec le nombre d’interactions de synchronisation astrocyte présente dans le cerveau.
Le modèle propose également des cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives, ont déclaré les auteurs de l’étude.
« Les astrocytes sont connus pour être impliqués dans la maladie d’Alzheimer et d’autres troubles de la mémoire: notre modèle fournit une vue de calcul de ce qui pourrait mal tourner », a déclaré Kozachkov. « Potentiellement, notre modèle mathématique peut inspirer la recherche de nouvelles cibles thérapeutiques: une modulation précise de la connectivité ou de la signalisation du processus des astrocytes pourrait restaurer ou compenser la fonction de mémoire perdue. »
Cependant, beaucoup plus de recherches seraient nécessaires pour que ce travail soit traduit en traitements cliniques.
Au-delà des neurosciences, le modèle peut indiquer les applications intelligence artificielle. Le modèle pourrait aider les chercheurs à créer des systèmes matériels de type cerveau, a déclaré De Pittà. Ces systèmes pourraient utiliser des architectures de mémoire denses qui leur permettent de stocker d’énormes quantités d’informations et de les rappeler efficacement, en utilisant très peu d’énergie, tout comme nos cerveaux. Cela pourrait être utilisé pour un large éventail d’applications, telles que la reconnaissance vocale; Robotique et systèmes autonomes; Assistants de l’IA; ou Interfaces cérébrales-machine et «neuroprosthétique».
