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Archives de la mémoire: comment le cerveau code et reproduit les souvenirs



D'une part, le cerveau humain est tout à fait compréhensible, d'autre part, il est plein d'énigmes et de questions pour lesquelles il n'y a pas encore de réponses. Et ici, tout est logique, étant donné que ce système est extrêmement complexe à la fois en termes d'architecture et en termes de processus en cours et de la relation entre eux. Si nous comparons le cerveau avec un ordinateur dans les classiques, alors en plus de traiter les informations, il effectue également son stockage. Toute mémoire est retirée des archives de la mémoire sous l'influence d'une sorte de stimulus: un arôme familier, une mélodie, des mots, etc. Cependant, la question demeure - où sont ces archives et qu'est-ce qui contribue à leur ouverture? Des scientifiques du NINDS (Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux) ont examiné le cerveau de patients atteints d'épilepsie résistante aux médicaments pour identifier et essayer d'expliquer les mécanismes d'extraction des souvenirs. Alors comment se souvient-onque se passe-t-il dans le cerveau en ce moment et pourquoi l'étude a été menée avec la participation de patients épileptiques? Nous en apprenons sur le rapport des scientifiques. Aller.

Base d'étude


Tout d'abord, il convient de noter que les patients atteints d'épilepsie, qui ne se prête pas au traitement médicamenteux (les médicaments, malheureusement, ne peuvent pas contrôler les crises), participent à une autre étude dans laquelle des électrodes sont connectées chirurgicalement à leur cerveau pour identifier les mécanismes de survenue de crises.

La présence de ces électrodes permet une étude parallèle de la mémoire, car le lien entre cette maladie et la mémoire est assez curieux. Les chercheurs se souviennent qu'en 1957, une partie du cerveau a été enlevée à un certain patient atteint d'épilepsie afin de le sauver des attaques. Mais la procédure a eu un effet secondaire grave - le patient ne pouvait plus former de nouveaux souvenirs, c'est-à-dire il a perdu le mécanisme de la mémoire épisodique.

Depuis lors, la théorie a surgi que les mémoires épisodiques sont préservées ou codées en tant que structures (modèles) d'activité neuronale. Lorsqu'une personne est confrontée à une sorte de stimulus (une odeur, un son familier, etc.), le cerveau reproduit cette activité, lui permettant ainsi de se souvenir de quelque chose lié à ce stimulus. Cela rappelle la reproduction d'un disque sur lequel la mémoire a été enregistrée, et dans ce cas, les stimuli externes servent d'aiguille au lecteur. Néanmoins, quelle que soit la beauté de l'analogie, le mécanisme même de ce processus reste mal compris.

Auparavant, une étude visant à expliquer les mécanismes d'extraction des souvenirs avait déjà été menée. Les souris ont agi en tant que sujets expérimentaux et les scientifiques ont pu déterminer que le cerveau peut stocker des souvenirs dans des séquences uniques de potentiels d'action *.
* — , , .
Les scientifiques ont décidé de vérifier la fiabilité des résultats de la recherche sur les rongeurs en menant les mêmes études sur le cerveau humain. Les observations de l'activité du cerveau des rongeurs, en particulier du lobe temporal médial, ont montré que les neurones individuels génèrent des impulsions dans les séquences lorsque les animaux étudient l'environnement (dans une chambre d'essai), et que ces séquences sont reproduites pendant le repos (lorsque l'animal ne dort pas, mais avec une activité physique spéciale non) et pendant le sommeil.

La reproduction des séquences d'activité maximale a été interprétée comme une extraction et une consolidation de la mémoire, ainsi qu'une partie du mécanisme de planification. Mais tout cela est chez la souris, avec les humains, les choses peuvent être complètement différentes.

Les séquences neuronales reproduites dans le lobe temporal médian des souris sont associées à des fluctuations rapides, appelées «ondulations». Les ondulations sont également liées à l'extraction de la mémoire épisodique chez l'homme. Par conséquent, les ondulations peuvent en théorie être associées à des reproductions répétées pertinentes pour la mémoire de l'activité maximale dans le cerveau humain.

Résultats de recherche


Pour tester les théories, les scientifiques ont mené une étude sur la relation entre les ondulations corticales et l'activité maximale des neurones individuels. Les sujets étaient 6 personnes (4 hommes et 2 femmes, âge moyen 34,8 ± 4,7 ans).


Image n ° 1

Les principaux outils de collecte d'informations étaient les suivants: réseau de microélectrodes (MEA) pour collecter des données sur les potentiels d'action des neurones individuels et du champ micro-local * à partir du lobe temporal antérieur; électrocorticogramme (iEEG) pour recueillir des signaux à l'échelle macroscopique à partir d'électrodes sous-durales situées au-dessus du cortex temporal latéral et le long du lobe temporal médial ( 1A et 1B ).
Les potentiels du champ local * sont des signaux électriques temporaires générés dans les tissus nerveux et autres grâce à l'activité électrique totale et synchrone des cellules individuelles (par exemple, les neurones) dans ce tissu.
Les signaux IEEG ont détecté des vibrations de type ondulation dans MTG et MTL, ainsi que toute connexion potentielle entre les régions du cerveau.
MTL - lobe temporal médial du cerveau;
MTG est le gyrus temporel moyen.
Les ondulations présentes dans les enregistrements d'électrocorticogramme du lobe temporal médial étaient accompagnées d'ondulations dans les signaux micro-LFP et de pics d'activité des neurones individuels ( 1C ). Les ondulations ont montré une augmentation de puissance dans la plage de 80 à 120 Hz à la fois à l'échelle macro-iEEG et à l'échelle micro-LFP.

Chaque pulsation détectée dans chaque microélectrode s'est accompagnée d'une augmentation de l'activité des neurones individuels dans ce canal ( 1C ). L'activité corticale maximale est étroitement liée à l'apparition de pulsations détectées aux échelles macro-iEEG et micro-LFP ( 1D ).

Dans une seule impulsion micro-LFP, les pics obtenus à partir du canal d'électrode dans une certaine région du cortex étaient liés à la propagation des ondulations, ce qui est cohérent avec la relation entre l'activité de pic et de pulsation observée chez les rongeurs et les humains ( 1E et 1F ).


Image n ° 2

Chacun des participants à l'étude a été invité à effectuer la tâche de mémorisation verbale des mots de paire, ce qui nécessitait qu'ils soient codés, puis récupéré de nouvelles associations entre des paires de mots sélectionnés au hasard dans chaque test ( 2A ).

Par un événement éclaté, les scientifiques veulent dire des indices de temps pendant lesquels les pics corticaux ont dépassé le seuil basé sur une fréquence de population d'au moins 25 ms. Pour tous les participants, les salves avaient une fréquence moyenne de 1,4 ± 0,2 Hz, et chaque salve comprenait 39,9 ± 6,3% de toutes les unités identifiées (neurones) au cours de cette session particulière de la tâche. Des éclats se sont produits à plusieurs reprises pendant toute la durée pendant laquelle le sujet a présenté des paires verbales ( 2B ).

Ensuite, les scientifiques ont réorganisé les neurones dans chaque test conformément à la séquence modèle obtenue à partir de la rafale relative d'activité entre des paires de neurones pendant chaque période de codage. Cette séquence modèle a été utilisée davantage pour la visualisation que pour l'analyse de la structure temporelle de l'activité neuronale dans plusieurs événements au cours des périodes de codage et des périodes de recherche. Les neurones pendant les rafales individuelles conservent apparemment le même ordre séquentiel du potentiel d'action tout au long du temps de codage ( 2C ).

Étant donné que des séquences répétées du potentiel d'action ont été observées lorsque les participants aux expériences ont codé des paires de mots, il a été possible de quantifier la mesure dans laquelle les séquences du potentiel d'action des neurones dans les événements d'éclatement étaient cohérentes les unes avec les autres dans différents essais ou différaient dans quelque chose.

Pour chaque événement de salve, la séquence d'activité maximale entre les neurones au sein de cette salve particulière a été déterminée en ordonnant chaque neurone en fonction du moment où son potentiel d'action maximal est apparu dans la plage de ± 75 ms de l'indice d'événement de salve central.

Plusieurs exemples de neurones ont été trouvés qui ont formé une séquence dans un essai puis se sont réorganisés pour former une séquence différente lors de l'essai suivant ( 2D ).

Afin de vérifier la similitude d'une séquence avec toute autre séquence, un coefficient de correspondance a été déterminé qui compare les relations temporelles par paire entre tous les neurones communs aux deux séquences et prend une valeur de 1 pour une lecture parfaite vers l'avant et -1 pour une lecture parfaite vers l'arrière .

Après avoir déterminé la valeur moyenne par paire du coefficient de correspondance entre toutes les séquences dans chaque test, une comparaison a été faite de cette valeur moyenne avec la distribution des valeurs de coefficient qui se produit lors de la comparaison de toutes les combinaisons de séquences par paire dans différents essais.

L'analyse des données a montré un paramètre commun pour le codage et la reproduction des souvenirs - les séquences répétitives de pics d'activité corticale qui ont été observées dans tous les essais, même lorsque les participants n'ont pas composé correctement une paire verbale.


Image n ° 3

Par conséquent, si le codage réussi de la mémoire dépend de la séquence temporelle du potentiel d'action des neurones, l'extraction de la mémoire doit dépendre de la même séquence ( 3A) Au cours de tous les tests, des événements de rafale répétés ont été observés pendant le codage et la recherche ( 3B ).

Dans le processus d'extraction de la mémoire, les séquences sont apparemment devenues de plus en plus similaires aux séquences codantes jusqu'au moment où le participant a exprimé sa réponse ( 3C ).

Il est curieux que les données de répétition de séquence pendant le codage et pendant la récupération de mémoire aient augmenté si la tâche a été correctement répondue (paire de mots). Dans le cas où le participant a recréé incorrectement la paire verbale, moins a été observé ( 3D) Cependant, avant que le participant n'émette la mauvaise réponse, les séquences de recherche étaient similaires aux séquences de codage. En d'autres termes, la séquence d'activation des neurones lors de la mémorisation d'une paire verbale a coïncidé avec l'activité lors de l'expression de la réponse dans la version correcte plus que dans le cas d'une réponse incorrecte. Il en résulte que le cerveau, si nécessaire, se souvient de quelque chose de spécifique, sélectionne la plaque souhaitée avec cette mémoire et la reproduit, métaphoriquement.

Si un tel mécanisme existe, il doit être individuel pour différentes mémoires ( 3F) Il a également été constaté qu'un codage et une récupération d'informations corrects avaient une fréquence de rafale plus faible de la population de neurones et un coefficient de Fano inférieur par rapport à des similaires dans les essais avec une réponse incorrecte. Cela suggère qu'une recherche réussie implique la reproduction de séquences exactes d'excitation neurale ( 3G ).


Image n ° 4

Comme mentionné précédemment, les événements de rafale observés pendant la recherche sont étroitement liés aux oscillations de type ondulation sur les échelles macro-iEEG et micro-LFP ( 1C) Cependant, seuls quelques-uns de ces événements corticaux sont associés à des ondulations dans le lobe temporal médial. Des études antérieures suggèrent que les événements d'éclatement cortical associés à des événements similaires dans le lobe temporal médial ( 4A ) sont au cœur de la récupération de la mémoire .

Au cours des tests de paire verbale, des événements d'éclatement associés au lobe temporal médial ont été observés, ce qui a montré un coefficient de similarité de séquence plus élevé avec la période de codage que les événements qui se sont produits en l'absence d'activité du lobe temporal médial ( 4B ).

Il a également été constaté que la reproduction de la mémoire dans le cortex cérébral, causée par une activité dans le lobe temporal médial, s'est produite au plus tard 100 ms après le début de cette activité ( 4C ).

Au cours des tests, lorsque les participants ont donné la bonne réponse, les événements de salve associés aux pulsations MTL ont montré une reproduction significativement plus élevée des séquences présentes lors du codage par rapport aux événements non liés ( 4D ).

Il en résulte que pour chaque codage de la mémoire, il existe sa propre séquence d'activité des neurones individuels. Et pour la reproduction correcte des souvenirs, le cerveau doit reproduire cette séquence à plusieurs reprises.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue


Dans cette étude, les scientifiques ont pu obtenir des preuves matérielles directes que la reproduction des souvenirs est basée sur la reproduction coordonnée de séquences de potentiels d'action des neurones dans le cerveau humain.

Lorsqu'une personne se souvient de quelque chose, une séquence d'activité neuronale se forme dans le cerveau. Lorsqu'il veut se souvenir de quelque chose, afin d'extraire avec succès la mémoire désirée, son cerveau doit reproduire la séquence précédemment créée.

Cela a été confirmé lors des tests. Lorsque les participants au test se rappelaient correctement une paire verbale donnée, la séquence de reproduction (mémoire) et de codage (mémorisation) coïncidait, ce qui n'était pas observé en cas de réponses erronées.

Selon les chercheurs, leurs travaux peuvent devenir un outil supplémentaire pour essayer de comprendre toutes les caractéristiques des processus destructeurs du cerveau humain qui altèrent la mémoire, la conscience et la pensée. Si nous discutons d'un point de vue plus scientifique, alors comprendre qu'une certaine séquence peut être reproduite peut nous permettre de reproduire précisément et rapidement les souvenirs nécessaires au bon moment.

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