Un mystère fondamental du cortex humain est de savoir comment ses 16 milliards de neurones intègrent ou assemblent les différents types d’informations qu’ils encodent en une seule expérience ou mémoire cohérente et unifiée.
Les scientifiques ont émis l’hypothèse qu’une telle liaison implique des oscillations à haute fréquence ou des « ondes » qui favorisent les interactions neuronales, un peu comme le rythme de la musique ou de la danse. Dans un article publié le 7 juillet 2022 dans PNASDes chercheurs de la faculté de médecine de l’Université de Californie à San Diego fournissent certaines des premières preuves empiriques que de telles ondes se produisent effectivement chez les humains.
« Pensez à l’expérience de caresses de votre chat : sa forme, son emplacement, son environnement, sa couleur, sa sensation, ses mouvements et sons, ainsi que vos propres émotions et actions de réponse. Ils sont tous liés en un tout cohérent », a déclaré l’auteur principal Eric Halgren, PhD, professeur de radiologie à l’UC San Diego School of Medicine.
« Ces différents aspects de l’expérience sont encodés dans des emplacements répartis sur la surface corticale du cerveau, et l’expérience est soutenue par son schéma d’activation spatio-temporelle. Le mystère a été de savoir comment les activités dans ces différents emplacements sont connectées. »
Des études antérieures, principalement chez des rongeurs, avaient montré que des ondes dans une structure différente, l’hippocampe, orchestrent la répétition de ces schémas spatio-temporels pendant le sommeil, ce qui est essentiel pour que les souvenirs soient permanents.
L’équipe de l’UC San Diego, dirigée par Halgren, a découvert que les ondes sont également produites dans toutes les zones du cortex cérébral humain, à la fois pendant l’éveil et le sommeil. Les ondes étaient brèves, d’une durée d’environ un dixième de seconde, et avaient une fréquence étroite constante d’environ 90 cycles par seconde. Les auteurs ont calculé qu’un événement typique à ondes courtes pourrait impliquer environ 5 000 petits modules déclenchés simultanément, répartis sur la surface corticale.
Ce travail fait partie de la thèse de doctorat en neurosciences du premier auteur Charles W. Dickey.
« Étonnamment, les ondes coïncidaient et étaient synchronisées dans tous les lobes et entre les deux hémisphères, même sur de longues distances », a déclaré Dickey. « Les neurones corticaux ont augmenté le déclenchement pendant les vagues, au rythme des vagues, ce qui pourrait favoriser l’interaction entre des emplacements distants.
« Il y avait plus de co-occurrences précédant le rappel réussi de la mémoire. Tout cela suggère que les co-ondes corticales distribuées favorisent l’intégration de différents éléments qui peuvent comprendre une mémoire expérientielle particulière. »
Les chercheurs ont découvert que les ondes corticales se combinent souvent avec les ondes hippocampiques et s’intègrent dans des oscillations plus lentes (1 et 12 cycles par seconde). Ces rythmes plus lents sont orchestrés par une structure centrale qui contrôle les niveaux d’activité corticale, le thalamus, et module la décharge neuronale, nécessaire à la consolidation de la mémoire.
« Comme notre expérience est organisée hiérarchiquement dans le temps, les rythmes qui organisent nos activités corticales qui créent cette expérience le sont également », a déclaré Halgren.
La recherche impliquait l’analyse d’une semaine d’enregistrements effectués directement à l’intérieur du cerveau de 18 patients qui étaient surveillés pour identifier la source de leurs crises d’épilepsie. Les travaux en cours dans le laboratoire de Halgren montrent que les modèles de déclenchement neuronal dans différentes parties du cortex sont plus mutuellement prédictifs pendant la co-ondulation, et la co-ondulation est associée à la jonction de lettres dans les mots et les significations avec les actions.
« Comme toute autre recherche fondamentale qui augmente notre compréhension du fonctionnement du monde, il est impossible de savoir quelles seront ses implications pratiques », a déclaré Halgren. « Mais je voudrais souligner que la schizophrénie, une maladie courante et incurable, se caractérise par une fragmentation mentale. Nos découvertes et celles d’autres indiquent qu’un type particulier d’interneurone inhibiteur est crucial pour la génération d’ondes, et ces cellules sont connues pour être sélectivement affecté par la schizophrénie, tout comme les oscillations à haute fréquence. Peut-être sommes-nous un peu plus près de trouver un mécanisme pour un aspect de cette maladie tragique.
Université de Californie-San Diego
10.1073/pnas.2107797119