Le cerveau a une puissante capacité à se souvenir et à connecter des événements séparés dans le temps. Une nouvelle étude, menée par des chercheurs du Zuckerman Institute of Columbia (États-Unis) et publiée dans la revue Neuron, révèle comment le cerveau forme de tels liens durables. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de l'anxiété et des troubles liés au traumatisme et au stress, tels que les troubles de panique et de stress post-traumatique, dans lesquels un événement apparemment neutre peut susciter une réponse négative par le cerveau.

Des résultats surprenants

Les scientifiques ont découvert un mécanisme par lequel l'hippocampe, une région cérébrale critique pour la mémoire et l’apprentissage, construit des ponts dans le temps grâce à un modèle complexe qui aide le cerveau à apprendre les associations entre divers évènements. “Nous savons que l'hippocampe est important dans les formes d'apprentissage qui impliquent de relier deux événements qui se produisent même jusqu'à 10 à 30 secondes d'intervalle, a rappelé Attila Losonczy, co-auteur principal de l'article. Cette capacité est la clé de la survie mais les mécanismes qui la sous-tendent se sont révélés insaisissables. Avec l'étude d'aujourd'hui chez la souris, nous avons cartographié les calculs complexes que le cerveau entreprend afin de relier des événements distincts qui sont séparés dans le temps.”

Les chercheurs ont voulu confronter des résultats antérieurs, montrant que la perturbation de l'hippocampe laisse aux animaux des difficultés à apprendre et à associer deux événements, pour mieux comprendre comment le cerveau lie deux situations entre elles. Ils ont observé des parties de l'hippocampe de souris exposés à deux stimuli différents : un son neutre suivi 15 secondes plus tard d'une petite mais désagréable bouffée d’air. La répétition de l’expérience a provoqué chez la souris une association entre le son et la bouffée d'air qui allait suivre. Pour aller plus loin, les chercheurs ont enregistré l'activité de milliers de neurones dans l'hippocampe des animaux simultanément au cours de chaque essai pendant plusieurs jours. “Avec cette approche, nous pourrions imiter, quoique d'une manière plus simple, le processus que notre propre cerveau subit lorsque nous apprenons à connecter deux événements”, expose le docteur Losonczy, neuroscientifique, qui a participé à l’étude.

Un moyen d’économiser de l’énergie

Les résultats ont surpris les chercheurs. “Nous nous attendions à voir une activité neuronale répétitive et continue qui persiste pendant l'intervalle de quinze secondes, indiquant le travail de l’hippocampe reliant le son et la bouffée d'air, se rappelle Stefano Fusi, co-auteur principal de l'article. Mais lorsque nous avons commencé à analyser les données, nous n'avons constaté aucune activité de ce type.” L’activité cérébrale enregistrée était clairsemée et seul un petit nombre de neurones s'est déclenché. Un résultat très différent que lors d'autres tâches d'apprentissage et de mémoire, comme la mémorisation d'un numéro de téléphone.

Les chercheurs ont découvert un style de calcul mental qui semble être un moyen remarquablement efficace pour les neurones de stocker des informations. Au lieu de communiquer constamment entre elles, les neurones économisent de l’énergie. “Nous étions heureux de voir que le cerveau ne maintient pas d'activité continue pendant toutes ces secondes parce que, métaboliquement, ce n'est pas le moyen le plus efficace de stocker des informations, se félicite le docteur Fusi. Le cerveau semble avoir un moyen plus efficace de construire ce pont, qui, nous le soupçonnons, peut impliquer de changer la force des synapses.”

Ces résultats fournissent un point de départ pour explorer plus en profondeur les troubles impliquant des dysfonctionnements de la mémoire associative, tels que la panique et le trouble de stress post-traumatique. “Bien que notre étude ne modélise pas explicitement les syndromes cliniques de l'un ou l'autre de ces troubles, elle peut être extrêmement informative, estime le docteur Ahmed, qui est également membre de la Zuckerman Institute of Columbia. Par exemple, cela peut nous aider à modéliser certains aspects de ce qui peut se produire dans le cerveau lorsque les patients éprouvent une association effrayante entre deux événements qui, pour quelqu'un d'autre, ne déclencheraient ni peur ni panique.”