Le Sommeil est Essentiel pour s’Adapter à de Nouveaux Endroits de Vacances
Le sommeil aide les souris à développer des cartes mentales cohérentes des lieux, reliant des neurones spatiaux faiblement à des cellules de lieu pour une meilleure navigation.
Le premier jour de vos vacances dans une nouvelle ville, vos excursions vous emmènent dans plusieurs endroits uniques. Alors que les souvenirs de ces lieux (comme un magnifique jardin dans une rue calme) sont instantanément mémorables, il peut falloir des jours avant d’avoir suffisamment d’intuition sur la ville pour envoyer un nouveau visiteur au même endroit, et peut-être ensuite au café que vous avez découvert à proximité. Une nouvelle étude sur les souris par les neuroscientifiques du MIT à l’Institut Picower pour l’Apprentissage et la Mémoire apporte de nouvelles preuves sur la manière dont le cerveau crée des cartes cognitives cohérentes de zones entières, soulignant le rôle important du sommeil dans le processus.
Depuis des décennies, les scientifiques savent que le cerveau utilise des neurones dans une région appelée hippocampe pour se rappeler des lieux spécifiques. Lorsqu’un animal se trouve dans la région qu’un neurone est programmé pour se rappeler, les “cellules de lieu” s’activent de manière constante. Plus précieux que d’avoir des repères pour des zones individuelles est d’avoir une image mentale de comment elles s’assemblent toutes dans une géographie globale continue. Bien que de telles “cartes cognitives” aient été postulées pour la première fois en 1948, les neuroscientifiques ignorent encore comment le cerveau les crée. Selon une nouvelle étude publiée dans Cell Reports en décembre, la capacité pourrait dépendre de changements subtils mais significatifs dans l’activité de cellules faiblement adaptées à des emplacements individuels mais améliorant la robustesse et l’affinement de l’encodage de l’ensemble de l’espace de l’hippocampe au fil du temps. Les études de l’étude montrent que pendant le sommeil, ces cellules “faiblement spatiales” renforcent l’activité du réseau neuronal dans l’hippocampe, reliant différents endroits dans une carte cognitive.
“Le premier jour, le cerveau ne représente pas très bien l’espace”, explique l’auteur principal Wei Guo, chercheur dans le laboratoire du professeur Matthew Wilson, professeur Sherman Fairchild à l’Institut Picower et aux départements de biologie et de sciences cérébrales et cognitives du MIT. “Les neurones représentent des lieux individuels, mais ils ne créent pas de carte. Mais le cinquième jour, ils créent une carte. Pour créer une carte, tous ces neurones doivent fonctionner ensemble dans un ensemble coordonné.”
Les souris cartographient les labyrinthes.
Pour mener l’étude, Guo et Wilson, ainsi que leurs collègues de laboratoire Jie “Jack” Zhang et Jonathan Newman, ont exposé des souris à des labyrinthes de base de divers dessins et les ont laissées les explorer librement pendant environ 30 minutes chaque jour pendant de nombreux jours. Il est important de noter qu’aucune récompense spéciale n’a été offerte aux souris pour les encourager à apprendre quelque chose. Elles ont simplement erré. Des recherches antérieures ont montré que les souris montraient naturellement un “apprentissage latent” des zones après plusieurs jours de telles expériences non récompensées.
Pour mieux comprendre comment l’apprentissage latent se produit, Guo et ses collègues ont observé visuellement des centaines de neurones dans la section CA1 de l’hippocampe en programmant des cellules pour clignoter lorsque des ions de calcium s’accumulaient, les rendant électriquement actives. Ils ont enregistré les clignotements des neurones à la fois pendant que les souris étaient en train d’explorer activement et quand elles dormaient. Le laboratoire de Wilson a découvert que les animaux “rejouent” leurs aventures antérieures pendant leur sommeil, renforçant ainsi leurs souvenirs par le biais de rêves sur leurs expériences.
L’analyse des enregistrements a révélé que l’activité des cellules de lieu a commencé immédiatement et est restée robuste et cohérente tout au long de plusieurs jours d’exploration. Cependant, cette activité seule ne peut pas expliquer comment l’apprentissage latent ou une carte cognitive se développe sur plusieurs jours. Contrairement à de nombreuses autres recherches, qui se concentrent principalement sur l’activité forte et évidente des cellules de lieu, l’étude de Guo a inclus l’activité plus subtile et énigmatique des cellules qui n’étaient pas aussi fermement orientées spatialement.
En utilisant une nouvelle approche appelée “apprentissage en variété”, il a découvert que de nombreuses cellules “faiblement spatiales” connectent progressivement leur activité à des schémas d’activité parmi d’autres neurones dans le réseau, plutôt qu’à des emplacements. Les résultats de Guo ont révélé que le réseau a enregistré une carte cognitive du labyrinthe qui est devenue plus proche de la zone physique réelle.
“Bien qu’ils ne répondent pas à des emplacements spécifiques comme les cellules fortement spatiales, les cellules faiblement spatiales se spécialisent dans la réponse aux « emplacements mentaux », c’est-à-dire aux modèles d’activation d’ensemble spécifiques d’autres cellules”, ont déclaré les auteurs de l’étude. “Si le champ mental d’une cellule faiblement spatiale englobe deux sous-ensembles de cellules fortement spatiales codant des emplacements distincts, cette cellule faiblement spatiale peut servir de pont entre ces emplacements.”
Le besoin de sommeil
Le groupe de Wilson et de nombreux autres ont découvert que l’activité cérébrale pendant le sommeil et le repos, comme le rejouement, consolide, affine et traite les souvenirs. Guo et l’équipe de Wilson ont donc cherché à déterminer si le sommeil était nécessaire pour que les cellules faiblement spatiales contribuent à l’apprentissage latent des cartes cognitives.
Pour cela, les scientifiques ont permis à certaines souris d’explorer un labyrinthe novateur deux fois le même jour, avec une pause de trois heures entre les deux. Certaines des souris ont été autorisées à dormir, tandis que d’autres ne l’ont pas été. Celles qui l’ont fait ont montré un raffinement considérable de leur carte mentale, mais celles qui n’ont pas été autorisées à dormir ont montré peu d’amélioration. Non seulement l’encodage du réseau de la carte s’est amélioré, mais les mesures de la syntonisation cellulaire individuelle ont révélé que le sommeil a aidé les cellules à devenir plus adaptées à la fois aux lieux et aux modèles d’activité du réseau, souvent appelés “lieux” ou “champs” mentaux.
Signification de la carte mentale
Selon Guo, les “cartes cognitives” stockées par les souris pendant plusieurs jours n’étaient pas des plans littéraux et précis des labyrinthes. Au contraire, elles ressemblaient plus à des schémas. Leur importance réside dans le fait qu’elles fournissent au cerveau une topologie qui peut être examinée cognitivement plutôt que dans l’espace réel. Par exemple, une fois que vous avez créé une carte mentale du quartier entourant votre hôtel, vous pouvez planifier l’excursion du lendemain matin.
En effet, Wilson a théorisé que l’activité des cellules faiblement spatiales peut superposer des informations non spatiales significatives, ajoutant du sens aux cartes. Cependant, l’étude n’a inclus aucun repère dans les labyrinthes et n’a pas examiné les comportements uniques des souris. Cependant, étant donné que l’étude a découvert que ces cellules faiblement spatiales jouent un rôle important dans la cartographie, Wilson indique que les futures recherches pourraient examiner le type d’informations qu’elles absorbent dans la compréhension des animaux de leur environnement. Il semble que nous percevons naturellement les endroits où nous vivons comme plus que de simples collections d’emplacements distincts.
“Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur des animaux se comportant naturellement et avons démontré que lors de comportements exploratoires libres et de sommeil subséquent, en l’absence de renforcement, des changements plastiques neuronaux substantiels au niveau de l’ensemble se produisent toujours”, ont déclaré les auteurs de l’article. “Cette forme d’apprentissage implicite et non supervisé constitue un aspect crucial de l’apprentissage humain et de l’intelligence, justifiant des investigations approfondies supplémentaires.”
