Pour quelqu’un qui n’est pas un superfan de Sherlock, la neuroscientifique cognitive Janice Chen connaît mieux que quiconque le drame policier à succès de la BBC. A l’aide d’un scanner cérébral, elle espionne ce qui se passe dans la tête des téléspectateurs lorsqu’ils regardent le premier épisode de la série et décrit ensuite l’intrigue.
Chen, chercheuse à l’université Johns Hopkins de Baltimore, dans le Maryland, a entendu toutes sortes de variations sur une première scène, lorsqu’une femme flirte avec le célèbre détective distant dans une morgue. Certaines personnes trouvent Sherlock Holmes impoli, tandis que d’autres pensent qu’il n’est pas attentif aux avances nerveuses de la femme. Mais Chen et ses collègues ont découvert quelque chose d’étrange lorsqu’ils ont scanné le cerveau des spectateurs : lorsque différentes personnes ont raconté leur propre version de la même scène, leur cerveau a produit des schémas d’activité remarquablement similaires1.
Chen fait partie d’un nombre croissant de chercheurs qui utilisent l’imagerie cérébrale pour identifier les schémas d’activité impliqués dans la création et le rappel d’un souvenir spécifique. De puissantes innovations technologiques dans les neurosciences humaines et animales au cours de la dernière décennie permettent aux chercheurs de découvrir des règles fondamentales sur la façon dont les souvenirs individuels se forment, s’organisent et interagissent les uns avec les autres. En utilisant des techniques de marquage des neurones actifs, par exemple, des équipes ont localisé les circuits associés au souvenir d’un stimulus douloureux chez les rongeurs et ont réussi à réactiver ces voies pour déclencher le souvenir. Et chez l’homme, des études ont permis d’identifier les signatures de certains souvenirs, qui révèlent certaines des façons dont le cerveau organise et relie les souvenirs pour faciliter la remémoration. De telles découvertes pourraient un jour aider à comprendre pourquoi la mémoire fait défaut chez les personnes âgées ou malades, ou comment de faux souvenirs se glissent dans les témoignages. Ces connaissances pourraient également conduire à des stratégies pour améliorer l’apprentissage et la mémoire.
Ecoutez Sheena Josselyn décrire les travaux visant à représenter la mémoire dans l’esprit.
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Ces travaux représentent un changement radical par rapport aux recherches précédentes sur la mémoire, qui identifiaient des emplacements et des mécanismes plus généraux. « Les résultats des rongeurs et des humains se rejoignent maintenant vraiment », déclare la neuroscientifique Sheena Josselyn de l’Hôpital pour enfants malades de Toronto, au Canada. « Je ne peux pas imaginer vouloir regarder autre chose. »
À la recherche de l’engramme
La trace physique d’un souvenir unique – également appelée engramme – a longtemps échappé à la capture. Le psychologue américain Karl Lashley a été l’un des premiers à la poursuivre et a consacré une grande partie de sa carrière à cette quête. Vers 1916, il a entraîné des rats à parcourir un labyrinthe simple, puis il a détruit une partie du cortex, la surface externe du cerveau. Il les a ensuite replacés dans le labyrinthe. Souvent, le tissu cérébral endommagé ne faisait guère de différence. Année après année, l’emplacement physique des souvenirs des rats restait insaisissable. Résumant sa mission ambitieuse en 1950, Lashley écrivait2 : « J’ai parfois l’impression, en examinant les preuves de la localisation de la trace de la mémoire, que la conclusion nécessaire est que l’apprentissage n’est tout simplement pas possible. »
La mémoire, il s’avère, est un processus hautement distribué, non relégué à une seule région du cerveau. Et différents types de mémoire impliquent différents ensembles de zones. De nombreuses structures importantes pour l’encodage et la récupération de la mémoire, comme l’hippocampe, se trouvent en dehors du cortex – et Lashley les a largement manquées. La plupart des neuroscientifiques pensent aujourd’hui qu’une expérience donnée provoque l’activation d’un sous-ensemble de cellules dans ces régions, la modification de l’expression de leurs gènes, la formation de nouvelles connexions et la modification de la force des connexions existantes – des changements qui permettent de stocker collectivement un souvenir. La remémoration, selon les théories actuelles, se produit lorsque ces neurones se déclenchent à nouveau et rejouent les schémas d’activité associés à l’expérience passée.
Les scientifiques ont élaboré certains principes de base de ce vaste cadre. Mais la vérification des théories de plus haut niveau sur la façon dont les groupes de neurones stockent et récupèrent des bits d’information spécifiques reste un défi. Ce n’est qu’au cours de la dernière décennie que de nouvelles techniques permettant de marquer, d’activer et de réduire au silence des neurones spécifiques chez les animaux ont permis aux chercheurs de déterminer avec précision quels neurones composent une mémoire unique (voir « Manipuler la mémoire »).
Crédit : Jasiek Krzysztofiak/Nature
Josselyn a contribué à diriger cette vague de recherche avec certaines des premières études visant à capturer les neurones engrammes chez les souris3. En 2009, elle et son équipe ont augmenté le niveau d’une protéine de mémoire clé appelée CREB dans certaines cellules de l’amygdale (une zone impliquée dans le traitement de la peur), et ont montré que ces neurones étaient particulièrement susceptibles de se déclencher lorsque les souris apprenaient, et se rappelaient plus tard, une association effrayante entre un son auditif et des chocs au pied. Les chercheurs se sont dit que si ces cellules stimulées par CREB constituaient un élément essentiel de l’engramme de peur, leur élimination permettrait d’effacer la mémoire associée au son et de faire disparaître la peur des animaux. L’équipe a donc utilisé une toxine pour tuer les neurones dont le niveau de CREB était augmenté, et les animaux ont définitivement oublié leur peur.
Quelques mois plus tard, le groupe d’Alcino Silva à l’Université de Californie, Los Angeles, a obtenu des résultats similaires, supprimant les souvenirs de peur chez les souris en inhibant biochimiquement les neurones surproducteurs de CREB4. Au cours de ce processus, ils ont également découvert qu’à tout moment, les cellules contenant plus de CREB sont plus excitables électriquement que leurs voisines, ce qui pourrait expliquer leur empressement à enregistrer les expériences nouvelles. « En parallèle, nos laboratoires ont découvert quelque chose de complètement nouveau – qu’il existe des règles spécifiques par lesquelles les cellules deviennent partie intégrante de l’engramme », déclare Silva.
Mais ce type d’étude de suppression de la mémoire n’esquisse que la moitié de l’engramme. Pour prouver sans l’ombre d’un doute que les scientifiques étudiaient bien des engrammes, ils devaient aussi produire des souvenirs à la demande. En 2012, le groupe de Susumu Tonegawa, au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge, a déclaré avoir créé un système capable de le faire.
En manipulant génétiquement des cellules cérébrales chez la souris, les chercheurs ont pu marquer les neurones qui s’enflamment avec une protéine sensible à la lumière. Ils ont ciblé les neurones de l’hippocampe, une région essentielle au traitement de la mémoire. Une fois le système de marquage activé, les scientifiques ont donné aux animaux une série de chocs au pied. Les neurones qui réagissaient aux chocs produisaient la protéine photosensible, ce qui permettait aux chercheurs d’isoler les cellules qui constituent la mémoire. Ils ont ensuite pu déclencher l’activation de ces neurones à l’aide d’une lumière laser, faisant ainsi revivre le souvenir désagréable chez les souris5. Dans une étude de suivi, l’équipe de Tonegawa a placé les souris dans une nouvelle cage et leur a administré des chocs au pied, tout en réactivant les neurones qui formaient l’engramme d’une cage « sûre ». Lorsque les souris ont été replacées dans la cage sûre, elles se sont figées de peur, ce qui montre que le souvenir de la peur était associé à tort à un endroit sûr6. Des travaux menés par d’autres groupes ont montré qu’une technique similaire peut être utilisée pour marquer puis bloquer un souvenir donné7,8.
Cette collection de travaux menés par de multiples groupes a permis de démontrer que la trace physiologique d’un souvenir – ou du moins les composants clés de cette trace – peut être associée à des neurones spécifiques, explique Silva. Pourtant, les neurones d’une partie de l’hippocampe ou de l’amygdale ne représentent qu’une infime partie de l’engramme de la peur du choc du pied, qui implique des images, des odeurs, des sons et d’innombrables autres sensations. « C’est probablement dans 10 à 30 régions cérébrales différentes – ce n’est qu’une supposition hasardeuse », dit Silva.
Un pinceau plus large
Les progrès de la technologie d’imagerie cérébrale chez l’homme donnent aux chercheurs la possibilité de faire un zoom arrière et d’examiner l’activité à l’échelle du cerveau qui constitue un engramme. La technique la plus largement utilisée, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), ne peut pas résoudre les neurones individuels, mais montre plutôt des taches d’activité dans différentes zones du cerveau. Traditionnellement, l’IRMf est utilisée pour identifier les régions qui répondent le plus fortement à diverses tâches. Mais ces dernières années, de puissantes analyses ont révélé les schémas distinctifs, ou signatures, de l’activité cérébrale qui apparaissent lorsque les gens se souviennent d’expériences particulières. « C’est l’une des révolutions les plus importantes des neurosciences cognitives », déclare Michael Kahana, neuroscientifique à l’Université de Pennsylvanie à Philadelphie.
Le développement d’une technique appelée analyse des motifs multivoxels (MVPA) a catalysé cette révolution. Parfois appelée décodage du cerveau, cette méthode statistique alimente généralement en données d’IRMf un algorithme informatique qui apprend automatiquement les schémas neuronaux associés à des pensées ou des expériences spécifiques. En 2005, alors qu’il était étudiant diplômé, Sean Polyn – aujourd’hui neuroscientifique à l’université Vanderbilt de Nashville, dans le Tennessee – a contribué à diriger une étude fondamentale appliquant pour la première fois la MVPA à la mémoire humaine9. Dans son expérience, des volontaires ont étudié des photos de personnes célèbres, de lieux et d’objets courants. À l’aide des données d’IRMf recueillies pendant cette période, les chercheurs ont entraîné un programme informatique à identifier les schémas d’activité associés à l’étude de chacune de ces catégories.
Plus tard, lorsque les sujets se sont allongés dans le scanner et ont énuméré tous les éléments dont ils pouvaient se souvenir, les signatures neuronales spécifiques à chaque catégorie sont réapparues quelques secondes avant chaque réponse. Avant de nommer une célébrité, par exemple, le modèle d’activité « semblable à une célébrité » est apparu, y compris l’activation d’une zone du cortex qui traite les visages. Il s’agit de l’une des premières preuves directes que lorsque les gens retrouvent un souvenir spécifique, leur cerveau revient à l’état dans lequel il se trouvait lorsqu’il a encodé cette information. « C’était un article très important », déclare Chen. « Je considère définitivement mon propre travail comme un descendant direct. »
Chen et d’autres ont depuis affiné leurs techniques pour décoder les souvenirs avec une précision croissante. Dans le cas des études de Chen sur Sherlock, son groupe a constaté que les schémas d’activité cérébrale de 50 scènes de l’épisode d’ouverture pouvaient être clairement distingués les uns des autres. Ces schémas étaient remarquablement spécifiques, permettant parfois de distinguer les scènes qui incluaient ou non Sherlock, et celles qui se déroulaient à l’intérieur ou à l’extérieur.
Près de l’hippocampe et dans plusieurs centres de traitement de haut niveau tels que le cortex médian postérieur, les chercheurs ont vu les mêmes schémas de visualisation des scènes se dérouler lorsque chaque personne racontait plus tard l’épisode – même si les personnes décrivaient différemment des scènes spécifiques1. Ils ont même observé une activité cérébrale similaire chez des personnes qui n’avaient jamais vu l’émission mais qui en avaient entendu le récit par d’autres personnes10.
« C’était une surprise de constater que nous voyons cette même empreinte lorsque différentes personnes se souviennent de la même scène, la décrivent avec leurs propres mots, s’en souviennent de la manière dont elles veulent se souvenir », dit Chen. Les résultats suggèrent que les cerveaux – même dans les régions d’ordre supérieur qui traitent la mémoire, les concepts et la cognition complexe – peuvent être organisés de manière plus similaire entre les personnes que prévu.
Fusionner les souvenirs
Alors que les nouvelles techniques donnent un aperçu de l’engramme, les chercheurs peuvent commencer à étudier non seulement comment les souvenirs individuels se forment, mais aussi comment les souvenirs interagissent entre eux et changent au fil du temps.
A l’Université de New York, la neuroscientifique Lila Davachi utilise la MVPA pour étudier comment le cerveau trie les souvenirs qui partagent un contenu qui se chevauche. Dans une étude menée en 2017 avec Alexa Tompary, alors étudiante diplômée dans son laboratoire, Davachi a montré à des volontaires des photos de 128 objets, chacun étant associé à l’une des quatre scènes – une scène de plage apparaissait avec une tasse, par exemple, puis un clavier ; un paysage urbain était associé à un parapluie, et ainsi de suite. Chaque objet n’apparaissait qu’avec une seule scène, mais de nombreux objets différents apparaissaient avec la même scène11. Au début, lorsque les volontaires associaient les objets aux scènes correspondantes, chaque objet suscitait un schéma d’activation cérébrale différent. Mais une semaine plus tard, les schémas neuronaux au cours de cette tâche de rappel étaient devenus plus similaires pour les objets appariés avec la même scène. Le cerveau avait réorganisé les souvenirs en fonction des informations partagées sur la scène. « Ce regroupement pourrait représenter les débuts de l’apprentissage de l' »essentiel » de l’information », explique Davachi.
Le regroupement de souvenirs connexes pourrait également aider les gens à utiliser des connaissances antérieures pour apprendre de nouvelles choses, selon les recherches de la neuroscientifique Alison Preston de l’Université du Texas à Austin. Dans une étude réalisée en 2012, le groupe de Preston a constaté que lorsque certaines personnes voient une paire d’images (comme un ballon de basket et un cheval), puis une autre paire (comme un cheval et un lac) qui partage un élément commun, leur cerveau réactive le motif associé à la première paire12. Cette réactivation semble lier ces paires d’images apparentées ; les personnes qui ont présenté cet effet pendant l’apprentissage étaient plus à même de reconnaître un lien ultérieur – implicite, mais jamais vu – entre les deux images qui n’apparaissaient pas ensemble (dans ce cas, le ballon de basket et le lac). « Le cerveau établit des connexions, représentant des informations et des connaissances qui sont au-delà de notre observation directe », explique Preston. Ce processus pourrait être utile dans un certain nombre d’activités quotidiennes, comme la navigation dans un environnement inconnu en déduisant les relations spatiales entre quelques points de repère connus. Être capable de relier des éléments d’information connexes pour former de nouvelles idées pourrait également être important pour la créativité, ou pour imaginer des scénarios futurs.
Dans une étude de suivi, Preston a commencé à sonder le mécanisme qui sous-tend la liaison des souvenirs, et a constaté que des souvenirs connexes peuvent fusionner en une seule représentation, en particulier si les souvenirs sont acquis en étroite succession13. Dans une convergence remarquable, les travaux de Silva ont également révélé que les souris ont tendance à lier deux souvenirs formés de manière rapprochée dans le temps. En 2016, son groupe a observé que lorsque les souris apprenaient à craindre les chocs au pied dans une cage, elles commençaient également à exprimer de la peur envers une cage inoffensive qu’elles avaient visitée quelques heures plus tôt14. Les chercheurs ont montré que les neurones codant pour un souvenir restaient plus excitables pendant au moins cinq heures après l’apprentissage, créant ainsi une fenêtre dans laquelle un engramme se chevauchant partiellement pourrait se former. En effet, lorsqu’ils ont étiqueté les neurones actifs, l’équipe de Silva a constaté que de nombreuses cellules participaient aux deux souvenirs de la cage.
Ces résultats suggèrent certains des mécanismes neurobiologiques qui relient les souvenirs individuels à des idées plus générales sur le monde. « Notre mémoire n’est pas seulement constituée de poches et d’îlots d’informations », explique Josselyn. « Nous construisons en fait des concepts, et nous relions les choses qui ont des points communs entre elles ». Le coût de cette flexibilité, cependant, pourrait être la formation de souvenirs faux ou erronés : Les souris de Silva ont eu peur d’une cage inoffensive parce que le souvenir qu’elles en ont gardé était très proche du souvenir effrayant d’une autre cage. L’extrapolation d’expériences uniques en concepts abstraits et en idées nouvelles risque de faire perdre certains détails des souvenirs individuels. Et au fur et à mesure que les gens retrouvent des souvenirs individuels, ceux-ci peuvent être liés ou embrouillés. « La mémoire n’est pas un phénomène stable », dit Preston.
Les chercheurs veulent maintenant explorer comment des souvenirs spécifiques évoluent avec le temps, et comment ils pourraient être remodelés, déformés ou même recréés lorsqu’ils sont récupérés. Grâce à la possibilité d’identifier et de manipuler des neurones engrammes individuels chez les animaux, les scientifiques espèrent renforcer leurs théories sur la manière dont les cellules stockent et servent les informations, théories qui ont été difficiles à tester. « Ces théories sont anciennes et très intuitives, mais nous ne connaissions pas vraiment les mécanismes qui les sous-tendent », déclare Preston. En particulier, en identifiant les neurones individuels qui sont essentiels pour certains souvenirs, les scientifiques peuvent étudier plus en détail les processus cellulaires par lesquels les neurones clés acquièrent, récupèrent et perdent des informations. « Nous vivons actuellement une sorte d’âge d’or », déclare Josselyn. « Nous disposons de toute cette technologie pour poser des questions très anciennes ».