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Comment les souvenirs humains sont fabriqués

Qu’est-ce qu’un souvenir ? En 1904, le biologiste allemand Richard Semon a eu l’idée d’une trace de mémoire maintenue par la connexion d’un groupe discret de cellules cérébrales. Il a baptisé ce circuit physique imaginaire “engramme”. Les engrammes ont ensuite connu une vie intense dans la science-fiction et la scientologie.

Mais pour ce qui est de prouver leur existence dans le cerveau, il a fallu attendre le développement de pinces activées par la lumière pour disséquer les circuits fins. En utilisant ces pinces dites “optogénétiques” en 2012, le laboratoire de Susumu Tonegawa au MIT a montré pour la première fois qu’un engramme était réel.

Dans un article publié dans Science en avril dernier, le même groupe a révélé les détails de la façon dont les engrammes sont créés dans une partie du cerveau, l’hippocampe, puis téléchargés pour être stockés dans le cortex, la couche la plus externe.

Dénicher ces détails du stockage de la mémoire ouvre la porte à la découverte de nouvelles façons de tordre la mémoire soit quand elle échoue, soit quand elle devient hyperactive.

La première preuve expérimentale de la façon dont les souvenirs humains sont formés et stockés remonte à seulement 1953.

“En principe, cette étude montre comment nous pourrions traiter ces cellules qui deviennent hyperactives dans le PTSD”, explique Pankaj Sah, directeur du Queensland Brain Institute. “D’une certaine manière, c’est une surprise de constater que ces souvenirs très complets peuvent être aussi discrets.”

La première preuve expérimentale de la façon dont les souvenirs humains sont formés et stockés remonte à 1953 seulement. C’est à cette époque que Henry Molaison, un Américain de 27 ans, se fait enlever les hippocampes pour soigner ses crises. À la grande horreur de ses chirurgiens, l’opération a également détruit sa capacité à créer de nouveaux souvenirs. Pourtant, ses anciens souvenirs allaient bien.

L’expérience involontaire a révélé que l’hippocampe est nécessaire pour tisser de nouveaux souvenirs – en particulier les souvenirs “épisodiques” riches en contexte faits chaque jour, comme ce que vous avez vu en promenant votre chien dans le parc ce matin.

Ces souvenirs détaillés ne sont pas stockés dans l’hippocampe, cependant. Avec le temps, ils sont transférés dans l’enveloppe externe du cerveau – le cortex. Nous le savons grâce à des patients qui, lorsque ces parties de leur cerveau ont été stimulées électriquement, se rappellent des souvenirs particuliers. {%recommandé 4923%}

Le téléchargement de ces souvenirs implique généralement une compression de l’information, un peu comme la façon dont nous compressons les fichiers informatiques pour un stockage à long terme. On pense également qu’il se déroule sur plusieurs jours.

Cette image à gros grain était en grande partie ce qu’étaient les choses jusqu’à il y a cinq ans. C’est alors que le laboratoire de Tonegawa, une collaboration entre le RIKEN Brain Science Institute du Japon et le MIT, a mis en pratique quelques idées quasi-mythiques en utilisant une technologie de pointe connue sous le nom d’optogénétique. L’une de ces idées était celle de l’engramme de Semon. Un souvenir, postulait-il, laisserait une trace physique dans le cerveau ; et le cerveau, lorsqu’il est stimulé, rejouerait le souvenir.

Semon a proposé cette idée des décennies avant que les chercheurs ne comprennent que les neurones envoyaient des signaux via des impulsions électriques. Depuis, les chercheurs ont décodé une grande partie de la signalisation électrique qui passe entre les neurones ; et montré comment l’apprentissage et la mémoire correspondent au renforcement des connexions, ou synapses, entre les neurones individuels.

Pour autant, personne n’avait jamais été capable de faire correspondre un ensemble particulier de neurones dans le cerveau à un souvenir particulier. En 1999, Francis Crick, un prix Nobel qui a consacré ses talents à déballer les mystères du cerveau, a songé que, pour progresser, on pourrait employer des impulsions de lumière pour activer des neurones individuels chez un animal vivant.

“Cela semble plutôt tiré par les cheveux, écrivait-il, mais il est concevable que les biologistes moléculaires puissent fabriquer un type de cellule particulier pour qu’il soit sensible à la lumière.” À peine six ans plus tard, les neuroscientifiques de Stanford Edward Boyden et Karl Deisseroth, à leur grande surprise, en ont fait une réalité avec leurs travaux pionniers en optogénétique. Ils ont coopté un interrupteur de lumière utilisé par les algues vertes – la protéine channelrhodopsine.

Lorsqu’elle est frappée par la lumière bleue, la protéine ouvre un pore, permettant aux ions chargés positivement de traverser la membrane cellulaire. Ce flux de courant signale aux flagelles à l’extrémité opposée de la cellule d’algue de battre, la propulsant vers la lumière.

Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient insérer un seul gène de channelrhodopsine dans des neurones individuels en utilisant un virus infectant comme messager. Ils se sont également assurés que seules les cellules qui avaient récemment créé un souvenir produisaient le gène de l’interrupteur de lumière ; les cellules qui créent la mémoire produisent une protéine appelée c-fos, le gène a donc été conçu pour n’être fabriqué que dans les cellules produisant c-fos.

En 2012, le groupe de Tonegawa a utilisé cette technique optogénétique pour démontrer l’existence d’un engramme de peur. Une souris a été placée dans une boîte avec des motifs muraux et des textures de sol distinctifs. Chaque fois qu’elle était placée dans cette boîte, elle recevait un choc électrique. Par la suite, le simple fait de la placer dans la boîte à chocs suffisait à la faire grimacer.

Les chercheurs ont également identifié un groupe de cellules dans l’hippocampe faisant activement l’interrupteur, le pistolet fumant indiquant que ces cellules avaient été impliquées dans la fabrication d’un souvenir.

Pour prouver que c’était le cas, les scientifiques ont ensuite fait passer une fibre optique dans le cerveau jusqu’à l’hippocampe pour cibler ces cellules. Lorsqu’ils ont soumis l’hippocampe à des flashs rythmiques de lumière bleue, la souris s’est figée comme si elle revivait le souvenir d’avoir été placée dans la boîte à chocs. C’était la première preuve de l’existence d’un engramme – un ensemble de quelques centaines de cellules qui, lorsqu’elles sont stimulées, rejouent le souvenir.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont voulu voir ce qu’il advenait de l’engramme de l’hippocampe chez les souris au fil du temps. D’autres études avaient suggéré que c’était une petite zone particulière du cortex – le cortex préfrontal – où les souvenirs de peur semblaient être stockés. Les chercheurs ont donc infecté les cellules du cortex préfrontal avec le virus contenant l’interrupteur.

Ils ont découvert quelque chose de curieux. Comme précédemment, une fois que les souris avaient appris à craindre la salle de choc, le souvenir pouvait être rejoué en dirigeant des flashs de lumière vers l’hippocampe. La surprise fut que le souvenir pouvait également être provoqué par des flashs lumineux sur les cellules du cortex préfrontal. Il semble donc que l’engramme ait été téléchargé simultanément dans le cortex préfrontal. “C’était surprenant”, note Tonegawa, “car cela indiquait que la mémoire corticale avait probablement été créée dès le premier jour, et non pas progressivement comme on l’avait supposé.”

Cependant, lorsque les souris ont été placées dans la salle de choc, se crispant sur le souvenir, ces mêmes cellules du cortex préfrontal étaient silencieuses (comme le prouve la vérification de l’activité chimique dans le tissu cérébral isolé). Ce n’est que quelques semaines après l’expérience que les cellules du cortex préfrontal se sont mises à fonctionner lorsque la souris a été placée dans la salle d’électrochocs. À l’inverse, l’engramme de l’hippocampe a commencé à s’estomper.

Donc, lorsqu’il s’agit de stocker la mémoire à long terme, une copie silencieuse est d’abord réalisée dans le cortex préfrontal ; ce n’est que progressivement qu’elle devient cimentée tandis que l’engramme hippocampique est effacé. La nature exacte de ce ciment à long terme reste cependant à déterminer, explique Takashi Kitamura, premier auteur de l’article.

L’autre clé du cimentage de la mémoire était que le cortex préfrontal devait recevoir des entrées de l’hippocampe et de l’amygdale, le centre émotionnel du cerveau. Lorsque les chercheurs ont bloqué les entrées neuronales de l’un ou l’autre (en utilisant à nouveau des interrupteurs lumineux), la mémoire du cortex n’a pas réussi à se cimenter.

Comment cette information pourrait-elle aider les gens ? Si nous ne pouvons pas implanter des interrupteurs lumineux, il est néanmoins possible d’activer ou de désactiver des régions particulières du cerveau en implantant de fines électrodes selon une technique connue sous le nom de stimulation cérébrale profonde, déjà utilisée pour traiter des troubles comme la maladie de Parkinson. Kitamura imagine qu’il sera un jour possible d’utiliser une technique similaire pour manipuler les engrammes dans le cerveau. “Mais nous devons d’abord les cartographier chez la souris.”

Vu la vitesse fulgurante à laquelle ce domaine progresse, l’ère de la manipulation de nos engrammes n’est peut-être pas si éloignée.