Comment nos cerveaux imaginent des réalités alternatives

Comment nos cerveaux imaginent des réalités alternatives

Vous êtes sur la route du travail, lorsque votre esprit s'oriente vers la conférence que vous devez donner l'après-midi. Vous répétez votre discours tout seul en arrivant au bureau, en vous préparant aux questions que vos collègues pourraient vous poser. Plus tard, lorsque vous supprimez votre boîte de réception de courrier électronique, vous réfléchissez à vos options de déjeuner tout en faisant défiler sans fin.

Ce ne sont là que quelques exemples de la façon dont chaque action que nous entreprenons dans le monde réel comporte également l'action alternative cachée que nous imaginions seulement entreprendre. Des efforts de recherche considérables ont été investis pour comprendre le comment et le pourquoi de notre prise de décision active, mais de nouvelles sources de données nous indiquent que le temps que nous passons dans des réalités alternatives sert également un objectif neurologique important.

De nombreuses parties du cerveau travaillent ensemble pour construire nos cartes mentales, mais les principaux acteurs de la navigation spatiale sont les hippocampe, le siège de la mémoire dans le cerveau et le cortex entorhinal, qui repose à côté du hippocampe et relaie les informations qui y sont générées vers les zones de traitement supérieures.

Dès 1948, il a été proposé que les rongeurs s'appuient sur divers indices environnementaux pour générer des cartes en vue de récompenser les tâches d'apprentissage du labyrinthe. Cependant, la nature de cette carte et les cellules qui l'ont générée restaient un mystère. Trente ans plus tard, les chercheurs ont observé que des cellules spécifiques de l'hippocampe chez le rat tiraient plus fréquemment lorsqu'elles pénétraient dans des endroits spécifiques. De manière remarquable, les schémas de déclenchement de ces réseaux de cellules sont stables dans le temps, même en l'absence d'indices qui étaient présents lors de leur activation initiale. La découverte de ces «cellules de lieu» nommées de manière descriptive a ouvert la voie à une interrogation plus précise de la base neurobiologique du cheminement.

Lorsque des cellules de lieu ont été découvertes, leur fonction proposée était de créer une carte topographique un à un d'un espace donné. En route du monde physique vers le cerveau, la plupart de nos représentations sensorielles présentent ce que l'on appelle organisation topographique. Imaginez monter dans votre voiture et partir pour des pièces inconnues. Vous pouvez compter sur la navigation par satellite, le GPS ou une carte papier pour vous guider vers votre destination. Tout comme chaque point de votre carte correspond à un point de repère spécifique de votre voyage, les cellules de place s'ancrent sur des points de repère spécifiques de l'environnement pour vous orienter dans l'espace.

Notre topographie spatiale interne est plus sophistiquée, avec des cellules hippocampiques codant pour des représentations de stimuli, d'indices ou de récompenses particuliers dans le contexte du comportement de l'animal dans ces espaces. Par exemple, imaginez arriver à l'aéroport dans un pays inconnu. Vous pourriez avoir une connaissance générale du concept d'aéroport, ainsi que des repères visuels familiers, qui vous ancrent dans ce nouvel espace. Certaines de ces informations sont biographiques et s'inspirent de vos souvenirs uniques d'autres aéroports.

Selon que ces expériences étaient positives ou négatives, la signification émotionnelle de ces espaces contribuera également à votre carte personnelle, et tous ces facteurs se combinent pour créer l'expérience de l'espace qui est beaucoup plus riche qu'un simple assemblage de points de repère.


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"Placez des cellules ancrées à des points de repère spécifiques dans l'environnement pour vous orienter dans l'espace."

Des études plus récentes chez les primates ont révélé que les cellules de l'hippocampe fonctionnent légèrement différemment dans le cerveau des primates que dans le cerveau des rongeurs, se déclenchant en réponse à un éventail de stimuli différents qui ne sont pas strictement liés à l'emplacement. Les travaux en cours chez les souris, les primates et les humains ont également établi que l'hippocampe n'est pas un acteur isolé. Entrez dans le cortex entorhinal, qui transmet les informations sensorielles à l'hippocampe et agit comme un pont vers le néocortex, où sont émises bon nombre de nos commandes cognitives et motrices plus sophistiquées.

Des chercheurs ont récemment décrit un réseau de cellules dans le cortex entorhinal appelé «cellules de grille», qui codent votre propre mouvement par rapport à votre environnement, ajoutant une pièce essentielle au puzzle de la cellule de lieu lorsqu'il s'agit de stratégies de navigation plus larges. Les réseaux de grille peuvent tracer plus précisément la direction et les distances entre les objets dans un espace, en se basant sur des signaux de mouvement internes plutôt que sur une entrée sensorielle de l'espace lui-même. Ces systèmes fonctionnent ensemble pour représenter de manière dynamique les espaces d'une manière qui peut être modifiée par l'expérience, incorporant de manière flexible de nouvelles informations mais permettant également à ces espaces de se familiariser avec le temps.

Mais une fois que nous avons une représentation d'un espace en tête, comment décider comment interagir avec lui? Cela nécessite une prise de décision active et le moteur de la décision est la récompense. C'est là que les attributs non spatiaux des neurones qui composent nos systèmes de navigation deviennent particulièrement importants. Les chercheurs ont découvert dans le cadre d'études sur les rongeurs que la valeur de récompense perçue ou l'importance de certains objets dans un environnement peut modifier plus fortement les schémas de tir des cellules dans leur direction. Une valeur de récompense prédite plus élevée associée à un tour ou à un emplacement donné dans un labyrinthe serait donc prédire le mouvement dans cette direction. Alors qu'en est-il des chemins non choisis?

Récemment, une équipe de chercheurs à l'UCSF mesuré la mise à feu des cellules hippocampiques chez les rats alors qu'ils terminaient les tâches de navigation spatiale. Les rats ont été placés dans un labyrinthe et leur activité neuronale a été imagée en temps réel alors qu'ils choisissaient entre des chemins qui divergeaient à un point de choix. De cette façon, les chercheurs ont pu attribuer des modèles uniques de mise à feu des cellules de lieu qui correspondaient à chaque bras du labyrinthe après que le rat ait fait un choix et se soit mis à le parcourir.

De manière frappante, lorsque le rat approchait du point de choix, chacun des ensembles de cellules de lieu qui représentaient l'un ou l'autre des bras du labyrinthe tirait rapidement en alternance, lançant les dés sur l'un ou l'autre des futurs possibles avant que le choix ne soit fait. Cela signifie que non seulement le chemin emprunté par l'animal en temps réel, mais aussi le chemin alternatif possible, sont représentés de manière égale dans l'espace neuronal, fournissant une explication mécaniste des représentations mentales du futur.

«Les chemins alternatifs possibles, sont représentés de manière égale dans l'espace neuronal, fournissant une explication mécaniste pour les représentations mentales du futur.»

Chez les rongeurs, les études de navigation se déroulent dans de simples assemblages de table qui ne peuvent pas capturer la complexité d'un environnement réel. La réalité virtuelle est devenu de plus en plus populaire en tant que divertissement personnel, mais il offre également aux chercheurs des niveaux sans précédent de variété et de contrôle dans la recherche sur la navigation spatiale. Un groupe au Royaume-Uni a utilisé un jeu mobile appelé Sea Hero Quest pour capturer l'un des plus grands ensembles de données sur le raisonnement spatial à travers les groupes d'âge jamais enregistrés.

Données de jeu indique que le raisonnement spatial peut commencer à diminuer à l'âge de 19 ans et que les choix de parcours des joueurs diffèrent selon qu'ils portent la variante e4 du gène APOE qui a longtemps été utilisé comme marqueur de diagnostic clinique de la maladie d'Alzheimer. De nouvelles stratégies comme celles-ci qui transforment de simples jeux mobiles en outils de collecte de données cliniques pourraient considérablement élargir notre compréhension de la progression exacte des maladies neurodégénératives et accélérer le développement d'un diagnostic précoce hautement personnalisé.

Une grande partie de notre compréhension de la façon dont nous pensons à l'avenir a émergé de l'étude de patients qui ne peuvent plus se souvenir du passé. Depuis les tout premiers jours des neurosciences, lorsque les études sur les lésions étaient souvent les outils les plus informatifs à notre disposition pour en savoir plus sur le fonctionnement des différentes parties du cerveau, nous avons compris que le l'hippocampe est nécessaire pour le rappel de la mémoire.

Les dommages à l'hippocampe sont associés à l'amnésie, ainsi qu'à une altération du raisonnement spatial. Mais plusieurs études marquantes ont montré que les blessures de l'hippocampe interfèrent également avec la capacité d'imaginer des événements hypothétiques. De manière constante, les patients atteints d'amnésie ont non seulement des difficultés à se souvenir des informations biographiques récentes, mais lorsqu'ils y sont invités, ils ne peuvent qu'offrir des déclarations générales sur les événements à venir de leur vie.

La perte de mémoire est courante avec l'âge, mais comme le démontrent de nombreuses études, notre capacité à naviguer dans l'espace diminue également à mesure que nous vieillissons. Ces déficits apparaissent à des âges plus précoces que d'autres mesures générales de déficience cognitive, ce qui suggère que certaines des fonctions du système de navigation sont uniques et fonctionnent indépendamment d'autres types de mémoire et de traitement de l'information dans l'hippocampe.

Les structures les plus vulnérables du cerveau vieillissant sont celles qui codent le mouvement, comme le cortex entorhinal. La mise à feu des cellules hippocampiques devient également erratique chez les rats plus âgés. De manière significative, les structures responsables de nous orienter dans l'espace sont également les plus vulnérables à la pathologie de la maladie d'Alzheimer, indiquant la déficience de la navigation comme un critère de diagnostic précoce potentiel pour cette maladie et d'autres maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson.

Notre vie quotidienne est remplie de décisions, à la fois conscientes et inconscientes. Mais comme le révèlent de plus en plus de preuves, nos cerveaux sont capables de voyager autant le long des chemins que nous choisissons que ceux auxquels nous renonçons.

Alors que nous continuons à apprendre sur les relations complexes entre la navigation spatiale, la mémoire et la neurodégénérescence, nous pouvons constater que le temps que nous passons à contempler ce qui aurait pu être est tout aussi important que le temps que nous passons à planifier activement. Et si le déclin des fonctions cognitives est accepté comme une partie normale du vieillissement, maintenir ces fonctions engagées avec des exercices mentaux simples comme des puzzles, des jeux de mots ou la lecture peut aider à préserver ces voies neuronales. De la même manière, nous pouvons exercer nos systèmes de navigation en traçant des parcours le long des chemins que nous n'avons pas encore empruntés. Ainsi, la prochaine fois que vous aurez du mal à ramener votre esprit à la tâche à accomplir, essayez de la laisser vagabonder un peu plus loin.

Cet article a paru sur Connaissant les neurones

Références:

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