samedi 29 octobre 2016

LE NEURONE DE BILL CLINTON


Le 22 décembre 1849 à Saint Petersburg, 3 jeunes prisonniers sont conduits au peloton d’exécution. Ils sont accusés d’avoir diffusé des idées révolutionnaires et provoqué les insurrections russes de 1848.

Parmi eux se trouve un jeune écrivain qui a récemment connu son heure de gloire grâce à son premier roman, Les pauvres gens. Fedor Mikhailowitch Dostoïevski.

Les soldats se mettent en place, prennent en joug les condamnés… Et aucun coup de feu ne part. Le tsar venait de transformer in extremis leur condamnation à mort en 4 ans de travaux forcés !


Dostoïevski passera 4 ans dans l’enfer sibérien. Cette période sombre de sa vie (bien qu’il n’en ait pas eu de beaucoup plus joyeuses…) transforma sa vision du monde.
Une fois libéré, sa vie n’ira que de souffrances en déceptions. Avant son exil, il avait connu la mort de sa mère et les coups de son père alcoolique. A son retour, il connaitra la solitude, la malveillance des critiques et, lorsque le succès sera là, la détresse du deuil et des dettes accumulées.

Il mourut d’une hémorragie le 18 janvier 1881 non sans avoir révolutionné la littérature russe de la fin du 19ème siècle -et au-delà.

Le génie de son écriture provient en partie d’une maladie qui se manifesta pour la première fois alors qu’il n’a que 7 ans et dont il souffrira tout le reste de sa vie : l’épilepsie temporale.


Une crise d’épilepsie correspond à une dysfonction d’un réseau cérébral dont les neurones se mettent à tous s’activer de manière anormalement synchrone. Cette dysfonction peut être due à une lésion cérébrale (comme une tumeur par exemple) ou, comme dans le cas de Dostoïevski, être inné.

Il existe une multitude de types de crises d’épilepsie, de l’absence au «grand mal». Dans sa forme classique, la crise débute au niveau du foyer (elle est alors locale) puis se diffuse secondairement à l’ensemble du cerveau (elle est alors généralisée).

En fonction du réseau neuronal déficient (que l’on appelle le foyer épileptogène), les symptômes de la crise épileptique locale seront différents. Par exemple, si le foyer se trouve dans le cortex moteur, nous pourrons observer la «marche Bravais-Jacksonienne» : les spasmes commenceront au niveau des doigts, puis remonteront progressivement le long du bras avant de s’étendre à l’ensemble du corps. Cette diffusion des spasmes correspond alors à la diffusion de la crise du foyer à l’ensemble du cortex cérébral.

Chez Dostoïevski, le foyer pathologique se trouve au niveau de son lobe temporal. Cela lui provoque des symptômes psychiques tout à fait particuliers qu’il décrit ainsi :


« Vous êtes tous en bonne santé mais vous ne pouvez pas vous douter du bonheur suprême ressenti par l'épileptique une seconde avant la crise. Je ne sais pas si cette félicité équivaut à des secondes, des heures, des mois, mais vous pouvez me croire sur parole, tout le bonheur que l'on reçoit dans une vie je ne l'échangerais pour rien au monde contre celui-ci. »
Dostoïevski


Les épilepsies temporales n’entraînent pas forcément ce type de symptômes. Tout dépend de la structure cérébrale au sein de laquelle est situé le foyer épileptique : le patient peut au contraire ressentir une profonde angoisse, si le foyer se trouve au niveau de l’amygdale –une structure du lobe temporal fortement impliquée dans le traitement cérébral de la peur. Si le foyer se trouve au niveau de son hippocampe, il peut ressentir un sentiment de déjà-vu et s'il est dans le cortex auditif, il pourra être victime d’hallucinations auditives.

A l’extrême, les crises d’épilepsie temporales peuvent entraîner un sentiment de dépersonnalisation (sentiment de se détacher de soi-même), de dissociation jusqu’à mimer une E.M.I (expérience de mort imminente).

Alors que Dostoïevski n’a eu aucun traitement efficace à sa disposition, l’épilepsie se soigne aujourd’hui très bien. La plupart du temps, un traitement médicamenteux suffit (la Dépakine par exemple, qui est un médicament très efficace quoi qu'on en dise...) à limiter voire à éliminer les crises.

Cependant, les médicaments ne suffisent pas toujours et il faut parfois se résigner à traiter chirurgicalement le patient. Le principe de l’opération est simple : retirer le foyer épileptique, point de départ de la crise.

Le suivi médical dans les semaines précédant l’opération est alors extrêmement méthodique et minutieux. Son but est de cibler au mieux la zone pathologique et d’anticiper les possibles séquelles que va entraîner l’opération : nous allons tout de même enlever un bout de cerveau !

Par exemple, dans le cas d’une épilepsie à point de départ moteur, est ce que l’exérèse du foyer épileptique n’entrainera pas de paralysie ? Le but est d’enlever le moins de cerveau possible tout en supprimant la totalité du foyer : il s’agit de viser juste !

Les neurologues tentent donc de comprendre le plus finement possible le fonctionnement du cerveau de leur patient. Ils utilisent pour cela des méthodes d’imagerie telles que l’IRM fonctionnelle et ont souvent recours à l’implantation d’électrodes directement dans le cerveau des patients.

Cette technique est certes très invasive, mais elle apporte une précision inégalée dans l’enregistrement du fonctionnement des neurones, sains et pathologiques.


Exemple d'implantation d'électrode au niveau du lobe temporal droit
d'un patient.

Ces implantations cérébrales sont alors une aubaine pour les scientifiques qui ont un accès direct chez l’Homme au fonctionnement de quelques neurones seulement –il est bien sûr inconcevable d’implanter un humain pour le simple plaisir du chercheur, qui doit donc se contenter d’attendre les patients qui ont besoin d’une telle implantation pour une raison médicale.

C’est dans ce contexte qu’une équipe de scientifiques basée à Los-Angeles étudia le fonctionnement des neurones du lobe temporal de 8 patients épileptiques en attente de l’opération salvatrice.



Le lobe temporal est une structures très importante de notre cerveau : il est indispensable à notre mémoire (grâce à l’hippocampe), à nos sentiments (l’amygdale), c’est là que sont stockées nos connaissances sur le monde (on parle de mémoire sémantique) ou encore que sont traités une grande partie des perceptions visuelles.

Il existe ainsi des neurones du cortex temporal chargés d’analyser spécifiquement les visages, les objets ou les lettres que nous voyons.

Les chercheurs californiens firent défiler devant les yeux de leurs patients une centaine de photos de visages célèbres en observant lesquelles déclenchaient une activité neuronale au niveau des électrodes implantées dans le lobe temporal.

Ils se rendirent alors compte que non seulement les neurones s’activaient de manière spécifique en fonction de la catégorie (ici, des visages), mais qu’en plus ils ne s’activaient que pour un seul visage.

Il existait un neurone qui ne s’activait que devant une photo de Bill Clinton !

Il existait de la même façon un neurone ne s’activait que devant la photo de Jennifer Aniston ou uniquement devant la photo de Halle Berry.

Quelle est l’information codée par ce neurone ?


Au point où en est notre réflexion, nous ne pouvons seulement affirmer que ce neurone code pour l’image précise qui est présentée au patient.

Cependant, le bon côté des actrices (pour le scientifique, j’entends), c’est qu’elles changent de look régulièrement. Ainsi, les scientifiques présentèrent ensuite plusieurs photos du visage de Jennifer Aniston. En brune, en blonde, de profil, de face, bronzée ou pas, maquillée ou pas, photoshopée ou pas…


Et le neurone de Jennifer Aniston s’activait à chaque fois !

De la même manière, le neurone de Halle Berry s’activait devant une photo de l’actrice tout comme un dessin la représentant.

Ce neurone coderait-il donc le concept de visage Jennifer Aniston/Halle Berry ? Non, car lorsqu’il a été présenté une photo de Jennifer Aniston avec son amoureux de l’époque (Brad Pitt… Ah, c’était le bon temps !), le neurone de Jennifer Aniston ne s’activait pas !

De plus, si l’on présente une photo de Halle Berry en Catwoman (le film venait tout juste de sortir), sur laquelle elle est masquée, le neurone correspondant s’active bel et bien !

Non, décidément ces neurones ne codent pas pour l’idée du visage de ces 2 actrices. Ils codent en réalité une idée beaucoup plus abstraite.

Ils codent l’identité même de l’actrice !

Ainsi, les neurones de Halle Berry s’activent à la fois devant une photo de son visage, ou un dessin, mais aussi devant une photo du rôle qu’elle vient d’interpréter au cinéma et même à la simple lecture de son nom !

Le concept codé par ce neurone est l’identité de Halle Berry !

Ces neurones du cortex temporal très particuliers et extrêmement spécialisés ont été théorisés il y a plus de 55 ans et sont surnommés les neurones grand-mère –n’y voyez aucune insulte envers les 2 actrices. L’idée, c’est qu’il existe dans votre cerveau un unique neurone qui code pour le souvenir de votre grand-mère –ou de Halle Berry, ou de Bill Clinton.

Vous imaginez tout de suite le danger de ce type de stockage : s’il n’existe qu’un seul neurone codant le souvenir de votre grand-mère, un coup bien placé sur le crâne et elle est rayée de votre mémoire !

Car c’est cette question que pose la théorie du neurone grand-mère : comment les souvenirs sont-ils stockés dans notre cerveau ? Sont-ils stockés à une adresse très précise du cortex, au sein d’un unique neurone, ou alors un même souvenir est-il stocké à travers une vaste population de neurones à travers l’ensemble du cerveau ?


L’étude des lésions cérébrales tendent à infirmer la théorie du neurone grand-mère : une perte aussi sélective de souvenirs est impossible. C’est pour cela que certains scientifiques préfèrent l’appellation de neurone concept plutôt que de neurone grand-mère.

L’idée des neurones concept, c’est qu’une assemblée de neurones peut coder plusieurs concepts de manière redondante. Par exemple, un groupe de neurone peut répondre au concept « Luke Skywaker » et parmi ceux-ci, certains peuvent répondre en plus au concept de « Dark Vador ».


Il est possible qu'il existe une certaine redondance au sein des neurones concepts, et notamment un chevauchement pour les sujets proches et apparentés. Ainsi dans notre exemple, si certains neurones codent exclusivement pour Luke Skywalker, ou juste pour Dark Vador, certains autres neurones codent pour les 2 personnages voire plus.

L’encodage des concepts proches reposeraient sur des combinaisons d’activations entre  plusieurs neurones d’un même réseau, ou sur le chevauchement de plusieurs réseaux neuronaux différents.

La théorie du stockage des souvenirs avancée par les chercheurs californiens se trouve à mi-chemin entre les 2 points vue dont nous parlions plus haut. Le stockage des souvenirs mettrait en jeu des réseaux de neurones, mais qui ne s’étendraient pas à l’ensemble du cortex cérébral. Des îlots de neurones sur une mer corticale…

Cependant, il faut bien comprendre que les neurones concepts ne sont pour le moment qu’une théorie, qui doit être testée par l’expérience. Nous ne savons même pas si c’est le neurone concept-grand-mère qui contient véritablement le souvenir : le fait que le neurone de Halle Berry s’active dès que l’on fait référence à l’actrice ne veut pas dire qu’il en contient le souvenir !

La seule manière de pouvoir prouver cela serait de pouvoir inactiver ce neurone et de tester si l’individu se souvient toujours d’elle… Mais ça, nous sommes encore loin de savoir le faire !

Quoiqu’il en soit, cette branche des neurosciences est absolument passionnante et prometteuse : serons-nous un jour capable de cartographier nos souvenirs à la surface de notre cortex ?





SOURCES :
- S. Casalonga, “Neurones Obama” Des casiers à souvenirs, Le monde de l'intelligence – N° 37 – juillet/aout 2014
- Quiroga, R. Q., Reddy, L., Kreiman, G., Koch, C., & Fried, I. (2005). Invariant visual representation by single neurons in the human brain. Nature, 435(7045), 1102-1107.
- Quiroga, R. Q. (2012). Concept cells: the building blocks of declarative memory functions. Nature Reviews Neuroscience, 13(8), 587-597. 

samedi 15 octobre 2016

L'INCEPTION EST ELLE POSSIBLE ? (Partie 2)




Bien que leur cerveau contienne moins d’un million de neurones (le nôtre en possède près de 100 milliards), l’abeille est un insecte doté de capacités cognitives extraordinaires. En particulier, ses capacités de mémorisation et d’orientation spatiale sont très développées.

On a longtemps cru que l’orientation spatiale des abeilles était très rudimentaire. La théorie dominante voulait qu’elle repose sur de simples associations entre les repères du paysage et des commandes motrices : « Quand je vois le gros arbre penché à l’horizon, alors mon aile droite bat plus fort ». A une succession de repères sur le chemin entre la ruche et la fleur à butiner correspondait donc une séquence de commandes motrices.



Cependant, des travaux sont venus contester cette théorie au début des années 2000. Ils allaient révéler que l’orientation spatiale des abeilles reposait sur des processus bien plus complexes : de véritables cartes cérébrales de leur environnement sont créées dans leur cerveau. Une expérience pionnière permis de mettre en évidence ce processus cognitif complexe chez les abeilles : si on les capturait sur leur lieu de butinage, et qu’on les déplaçait un petit peu plus loin avant de les relâcher, elles étaient tout de même capable de retourner jusqu’à leur ruche.

Elles en auraient été incapables selon l’ancienne théorie !

Plus récemment, le vol des abeilles et leur orientation furent étudiés grâce à de minuscules émetteurs radar fixés sur leur dos. Il fut ainsi mis en évidence que non seulement les abeilles étaient capables d’établir de nouveaux chemins entre leur ruche et la zone de butinage, mais qu’en plus elles étaient capables de choisir de voler vers l’un ou vers l’autre !



Cette mémoire très performante nécessite un bon sommeil : lorsque des chercheurs s’amusent à perturber le sommeil des abeilles, celles-ci développent des troubles mnésiques qui touchent non pas l’acquisition du souvenir en lui-même (qui se fait pendant le vol), mais la consolidation de la trace mnésique (c’est-à-dire du souvenir) au cours de la nuit de repos.

Chez l’Homme, l’orientation spatiale repose en grande partie sur des neurones très particuliers : les cellules de lieu. Ces neurones sont situés au niveau des hippocampes cérébraux, des structures profondes qui jouent un rôle essentiel dans la mémoire et la navigation spatiales. Ils codent une information essentielle : où suis-je actuellement ? A chaque cellule de lieu correspond un emplacement précis.

Le meilleur exemple pour appréhender ce que sont ces cellules de lieu est cette vidéo, que je vous présentais déjà dans un article précédent. Ici, chaque point correspond à la décharge d’une cellule de lieu, différenciées par les couleurs. Comme vous pouvez le remarquer, il existe chez cette souris un neurone de lieu spécifique à chaque endroit de la cage qu’elle explore : le neurone 1 correspond par exemple au coin inférieur droit de la cage.



A chaque nouvel endroit que la souris explore, de nouveaux neurones dans son hippocampe se pressent de l’encoder. On peut ainsi voir sur l’enregistrement le parcours en pointillé de la souris à l’intérieur de sa cage ou d’un labyrinthe par exemple.

Mais les cellules de lieu ne donnent pas seulement une information sur la localisation actuelle de la souris. Ce n’est pas pour rien qu’elles sont présentes dans l’hippocampe : elles interviennent aussi (et surtout) dans la mémoire spatiale.

Il est en effet très important pour la souris de se souvenir des lieux importants où elle est déjà allée. Là où elle peut trouver de la nourriture par exemple. Les cellules de lieu de l’hippocampe enregistrent les coordonnées de ces lieux un petit peu comme vous enregistrez les coordonnées de votre maison sur votre GPS.

De la même manière, lorsque la souris traverse un labyrinthe, il est capital pour elle de se souvenir du trajet parcouru –si elle veut en sortir. Au fil de son parcours, ses cellules de lieu vont donc progressivement l’imprimer au sein d’une sorte de «carte neuronale», contenue dans l’hippocampe.


Chaque zone de la cage ou du labyrinthe ("Place map") correspond à une cellule de
lieu particulière ("Place field") qui ne s'active que lorsque la souris passe à cet endoit
ou si elle pense/rêve à cet endroit précis.

Mais le plus étonnant, c’est que lorsque la souris fait une pause dans son périple, les cellules de lieu vont commencer à s’activer dans l’ordre inverse, comme si la souris se remémorait le chemin de sortie !

Cette «reviviscence» du trajet parcouru a un rôle fondamental : il sert à consolider son souvenir.

L’enregistrement d’un souvenir fait en effet intervenir 2 grands processus : l’encodage et la consolidation du souvenir. L’encodage s’effectue dans l’hippocampe : ici, il s’agit des activations progressives des différentes cellules de lieu. Puis vient la consolidation, qui met en jeu non seulement l’hippocampe et ses cellules de lieu mais aussi d’autres régions du cortex cérébral. C’est durant cette phase que le souvenir va être «stocké» quelque part dans le cortex.

Un souvenir nécessite d’être consolidé pour avoir une chance d’échapper à l’oubli.

Si la consolidation du souvenir a lieu de temps à autre dans le labyrinthe, il a lieu le plus souvent pendant le sommeil.

Ainsi, il a été découvert que les cellules de lieu s’activaient au cours du sommeil de la souris exactement dans le même ordre que pendant l’éveil. Comme si la souris rêvait du parcours qu’elle avait effectué quelques heures plus tôt !

Mais ces activations ne sont en réalité pas exactement semblables à celles de l’éveil : si elles se font dans le même ordre, elles ne se font pas à la même vitesse : la séquence d’activation est 10 fois plus rapide pendant le sommeil. Il existe une compression temporelle du souvenir. La souris revit non seulement le parcours qu’elle vient d’effectuer, mais en vitesse accélérée.



Dans le film Inception, Arthur explique à Adriana (alors qu’elle vient de se réveiller) que le temps dans un rêve ne correspond pas au temps réel. Une heure dans un rêve ne correspond qu’à 5 minutes dans la réalité.

Non seulement cette compression temporelle est démontrée, mais le ratio donné dans le film correspond aux données expérimentales !

C’est donc pendant son sommeil que la souris revit les trajets qu’elle a effectués pendant la journée (enfin, façon de parler vu que la souris est un animal nocturne) et en consolide ainsi le souvenir. C’est à ce moment-là que le souvenir est malléable.

C’est à ce moment-là qu’il faut réaliser l’inception.

Implanter un faux souvenir correspondant à un lieu bien réel : c’est ce que réalisa une équipe de chercheurs français !

Pour cela, ils implantèrent 2 électrodes différentes à leurs souris. La première se trouvait au niveau des cellules de lieu, dans l’hippocampe. Elle ne sert pas à stimuler ces cellules mais simplement à enregistrer leurs activations. L’autre était implantée au niveau d’une région impliquée dans la sensation de plaisir, le faisceau prosencéphalique médian. Contrairement à la première électrode, celle-ci a pour but d’envoyer des impulsions électriques pour stimuler cette région.

Lorsque la souris se baladait dans sa cage, ils purent déterminer précisément quelle cellule de lieu correspondait à quel endroit réel. Autrement dit, ils purent faire le lien entre la géométrie de la cage et sa cartographie au sein de l’hippocampe de la souris.

Ils ciblèrent une cellule de lieu, au hasard. Appelons la Catherine.

Lorsque la souris s’endormit, quelques heures plus tard, ils purent observer une réactivation des cellules de lieu, dans le même ordre et en accéléré. Ils purent donc détecter l’instant précis auquel Catherine s’activait. C’est à cet instant précis que la seconde électrode stimula le réseau neuronal du plaisir.

Alors que la souris consolidait ses souvenirs de la cage dans laquelle elle avait évolué la veille, une nouvelle information fut ajoutée : du plaisir ! Mais cette information ne fut pas intégrée à n’importe quel moment : elle fut intégrée au moment précis où Catherine s’activait.

Un nouveau souvenir venait donc d’être créé de manière tout à fait artificielle, à l’aide de 2 électrodes cérébrales.


L’inception !



Lorsque la souris se réveilla, quelques heures plus tard, la première chose qu’elle fit est de galoper vers une région bien précise de sa cage.

La région correspondant au neurone Catherine.

La souris se souvenait d’avoir vécu quelque chose d’agréable dans cet endroit, et s'y précipitait pour vivre à nouveau la même chose… Sauf qu’elle n’avait en réalité jamais rien vécu d’agréable à cet endroit-là !

Il s’agit d’une idée implantée dans sa mémoire par les scientifiques, qui réalisaient alors (à ma connaissance) la première véritable inception ! Une idée extrêmement simple, «J’ai ressenti du plaisir à cet endroit de la cage», mais à laquelle la souris croyait dur comme fer au point que la première chose qu’elle fit à son réveil fut de rechercher ce plaisir factice à l’endroit correspondant.

L’inception, cela parait extraordinaire lorsqu’on la réalise avec des électrodes.

Mais ne faisons-nous pas cette expérience tous les jours ? N’y a-t-il aucun moyen d’implanter une idée étrangère dans l’esprit de quelqu’un, parfois même à son insu ?

Bien évidemment que oui, et cela s’appelle de la manipulation.




SOURCES :
- Klein, B. A., Klein, A., Wray, M. K., Mueller, U. G., & Seeley, T. D. (2010). Sleep deprivation impairs precision of waggle dance signaling in honey bees. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(52), 22705-22709.
- Hussaini, S. A., Bogusch, L., Landgraf, T., & Menzel, R. (2009). Sleep deprivation affects extinction but not acquisition memory in honeybees. Learning & memory, 16(11), 698-705.
- Menzel, R., Greggers, U., Smith, A., Berger, S., Brandt, R., Brunke, S., ... & Schüttler, E. (2005). Honey bees navigate according to a map-like spatial memory. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 102(8), 3040-3045.
- Moser, E. I., Kropff, E., & Moser, M. B. (2008). Place cells, grid cells, and the brain's spatial representation system. Neuroscience, 31(1), 69.
- Battaglia, F. P., Benchenane, K., Sirota, A., Pennartz, C. M., & Wiener, S. I. (2011). The hippocampus: hub of brain network communication for memory. Trends in cognitive sciences, 15(7), 310-318.
- de Lavilléon, G., Lacroix, M. M., Rondi-Reig, L., & Benchenane, K. (2015). Explicit memory creation during sleep demonstrates a causal role of place cells in navigation. Nature neuroscience.