L’activation cérébrale coordonnée favorise l’apprentissage spatial et

Une étude soutenue par les NIH montre que la "répétition" spatiale dans les neurones peut aider les rats à apprendre à naviguer vers des objectifs

L'activation cérébrale spécialisée «repasse» sur les routes possibles que les rats peuvent emprunter lorsqu'ils naviguent dans un espace, en les aidant à suivre les itinéraires qu'ils ont déjà empruntés et à choisir parmi les itinéraires qu'ils pourront emprunter par la suite, selon un institut national de la santé. étude financée publiée dans la revue Neurone.

"Ces résultats révèlent un processus interne de" rejouement "dans le cerveau qui permet aux animaux de tirer les leçons des expériences passées pour créer des mémoires de chemins menant à des objectifs, puis de rappeler ces chemins pour planifier les futures décisions" Shantanu Jadhav, Ph.D., professeur adjoint à l’Université Brandeis, Waltham, Massachusetts et auteur principal de l’étude. "Ces résultats nous aident à mieux comprendre comment une activation coordonnée au niveau des neurones peut contribuer aux processus complexes impliqués dans l'apprentissage et la prise de décision."

L'hippocampe, une structure située au centre du cerveau, est essentiel à l'apprentissage et à la mémoire et contient des cellules «locales» spécialisées qui transmettent des informations sur la localisation et l'orientation dans l'espace. Ces cellules de lieu montrent des schémas d'activité spécifiques pendant la navigation qui peuvent être «rejoués» plus tard en avant ou en arrière, presque comme si le cerveau effectuait une avance rapide ou un retour rapide dans les itinéraires empruntés par les rats.

Dans des recherches antérieures, Jadhav et ses collègues avaient découvert que ces événements de répétition, marqués par des sursauts d'activité neuronale appelés ondulations aiguës, conduisaient à une activité coordonnée dans l'hippocampe et le cortex préfrontal, une région du cerveau située juste derrière le front qui est impliquée dans la prise de décision.

Cependant, la manière dont ces événements de retransmission en amont et en aval influent sur l'apprentissage et la prise de décision réels au fil du temps reste floue. Pour le savoir, Jadhav et ses co-premiers auteurs, Justin D. Shin et Wenbo Tang ont enregistré en permanence l’activité cérébrale des rats, qui ont appris à naviguer dans un labyrinthe spécial en forme de W au cours d’une journée. Cela a permis aux chercheurs de voir comment les représentations neuronales changeaient à mesure que les rats apprenaient.

Les chercheurs ont formé les rats pendant huit sessions pour qu'ils suivent des chemins selon deux règles: une règle simple et une règle complexe: donner aux rats une récompense à chaque fois qu'ils atteignent la bonne destination. La règle simple exigeait de se rappeler les emplacements de début et de fin des chemins de labyrinthe. La règle complexe dépendait de la mémoire de travail, obligeant les rats à se souvenir du chemin précédent afin de choisir la destination suivante.

Les scientifiques ont concentré leurs analyses sur les moments de transition au cours desquels les rats s'étaient arrêtés entre un parcours et le choix du suivant. Comme prévu par les chercheurs, les événements de rejeu dans l'hippocampe ont montré la réactivation des chemins passés dans l'ordre inverse, comme si ils étaient en rembobinage, et la réactivation des chemins futurs possibles dans un ordre avancé, comme s'il était en avance rapide.

Les modes de lecture avant et arrière étaient si robustes que les chercheurs ont pu utiliser les enregistrements pour prédire où les rats s'étaient arrêtés dans le labyrinthe en forme de W. Des enregistrements continus de l'activité cérébrale tout au long de la tâche ont révélé des changements dans les modèles d'activation à mesure que les rats apprenaient la règle simple. À différentes étapes de l’apprentissage, les chercheurs ont pu utiliser la répétition inversée et la répétition directe pour prédire le chemin que les animaux venaient de suivre et où ils allaient suivre, respectivement. Ces changements ont indiqué que la relecture inversée était importante pour apprendre de la voie précédente, en particulier aux premiers stades de l'apprentissage, tandis que la relecture en avant était importante pour planifier l'itinéraire suivant, en particulier aux dernières étapes de l'apprentissage.

Les modèles d'activation liés à l'apprentissage de la règle de mémoire de travail complexe étaient plus cohérents au fil du temps: les événements de relecture inversée réactivaient tous les choix passés possibles et les événements de relecture avant réactivaient toutes les options futures possibles tout au long du processus d'apprentissage.

Cependant, lorsque les chercheurs ont examiné la coordination entre les événements de répétition dans l'hippocampe et le cortex préfrontal, ils ont constaté que la réactivation coordonnée dans les deux zones du cerveau était corrélée aux choix réels des rats, c'est-à-dire que la réactivation était plus forte pour la répétition de chemins les rats ont pris que pour les chemins qu'ils n'ont pas pris.

Ensemble, les résultats suggèrent que la répétition coordonnée de l'hippocampe et du cortex préfrontal joue un rôle important dans l'apprentissage spatial et la prise de décision guidée par la mémoire. Plus précisément, les résultats suggèrent que la relecture inversée est susceptible de renforcer la capacité de réfléchir et d’évaluer les trajectoires ayant conduit à des objectifs dans le passé, tandis que la retransmission en aval semble favoriser la capacité de penser à l’avenir et de planifier des choix futur.

«L’implication de la« répétition »dans les processus de mémoire a été observée chez de nombreuses espèces, y compris les humains, et cette étude montre que la répétition sert de substrat neural clé d’un dialogue interne entre plusieurs régions du cerveau afin de renforcer notre capacité à apprendre, planifier et choisir. et en déduire », a conclu Jadhav.

L'activité dans les cellules de l'hippocampe (image de gauche) montre un événement de retransmission en avant représentant le chemin que le rat suivra ensuite (image de droite). Crédit: Wenbo Tang et Justin Shin

Référence

Shin, J. D., Tang, W. et Jadhav, S. (2019). Dynamique de la répétition préfrontale éveillée de l'hippocampe pour un apprentissage spatial et une prise de décision guidée par la mémoire. Neurone. doi: 10.1016 / j.neuron.2019.09.012

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