Comment le cerveau apprend à associer deux choses et à se souvenir de ces associations?

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Ce texte de Leila Reddy, Matthew W. Self et Pieter L. Roelfselma publié dans Frontiers for young minds en janvier 2020, a été traduit de l’anglais et adapté par S.Desmidt, Marie Palu et G. Dehaene-Lambertz.

Résumé
En permanence, nous associons différents éléments de notre environnement entre eux: un enfant avec son prénom, son visage avec sa voix, la mer avec les vacances, une chanson avec un anniversaire. Comment s’y prend le cerveau pour retenir ces associations arbitraires? Nos collègues (Leila Reddy, Matthew W. Self et Pieter L. Roelfselma) ont étudié comment le cerveau crée ces liens. Ils ont demandé à des participants de retenir certaines associations pendant qu’ils enregistraient l’activité des cellules nerveuses du cerveau (neurones). Ils ont découvert qu’au fur et à mesure que les participants apprenaient ces associations, des neurones dans l’hippocampe changeaient leur réponse et répondaient aux associations apprises.


COMMENT LE CERVEAU CREE-T-IL DES LIENS ENTRE DES OBJETS APPARENTÉS ?

Imaginez que votre ami vienne de recevoir un nouveau chien. Votre cerveau apprend rapidement cette relation entre le chien et votre ami. Chaque fois que vous voyez ce chien, vous savez qu’il appartient à votre ami. Comment le cerveau se souvient-il de ce lien et de tous les liens entre choses, évènements, circonstances?


ÉCOUTER LES NEURONES

Les neurones sont des cellules spéciales de notre cerveau. Il en existe des milliards, et ils sont responsables de tout ce que nous pensons et faisons. Par exemple, chaque fois que vous regardez quelque chose, un groupe de neurones se met en marche et transmet des messages à d’autres neurones sur ce que vous regardez. Donc, si nous voulons savoir si un neurone a été activé par quelque chose (par exemple, votre ami ou son chien), nous devons être capables d’écouter ces messages. Lorsque les neurones sont actifs, ils s’envoient leurs messages sous forme de petits courants électriques. Ces courants électriques peuvent être mesurés à l’aide de minuscules fils appelés électrodes. Chaque neurone a une très petite voix (le courant électrique est très faible). Donc, pour écouter chaque neurone, nous devons placer les électrodes très près de lui. Cela signifie que les électrodes doivent être insérées dans le cerveau, tout près des neurones que nous voulons écouter.


COMMENT ECOUTER LE CERVEAU HUMAIN ?

L’insertion d’électrodes dans le cerveau humain est inhabituelle. Cependant, dans certaines situations, les médecins doivent insérer des électrodes dans le cerveau de leurs patients pour en écouter l’activité électrique. Par exemple, chez les patients souffrant d’épilepsie, des groupes de neurones commencent à se parler de manière anormale, et les messages qu’ils s’envoient se mélangent pendant quelques minutes. Dans de nombreux cas, les patients perdent conscience et tombent par terre. Les médecins doivent donc découvrir d’où provient ce bavardage anormal pour pouvoir l’arrêter. Dans les cas extrêmes d’épilepsie, les médecins doivent insérer des électrodes dans le cerveau du patient pour trouver l’origine de l’anomalie. L’hippocampe est une zone du cerveau qui est souvent étudiée à l’aide d’électrodes et il joue un rôle important dans l’apprentissage et la mémoire. Son nom est lié au fait que sa forme ressemble un peu à un hippocampe (petit animal marin).

La plupart des patients qui ont ces électrodes insérées dans leur cerveau ne s’opposent pas à ce que l’on fasse des études qui ne sont pas destinées à guérir leur maladie, mais qui peuvent aider les scientifiques à comprendre comment fonctionne le cerveau. Dans une expérience typique, les patients sont assis dans leur lit d’hôpital, ou sur une chaise dans leur chambre d’hôpital et les électrodes sont reliées à des ordinateurs qui enregistrent l’activité électrique des neurones


LES NEURONES S’ACTIVENT LORSQUE NOUS REGARDONS LES CHOSES

Avant de vous montrer ce que font les neurones lorsque vous apprenez à associer des éléments entre eux, il est important de comprendre d’abord ce qu’ils font lorsque vous regardez quelque chose. Pour comprendre, comment les neurones répondent, les scientifiques comptent le nombre de fois où les neurones se mettent en marche, ou déchargent. Cette réponse est mesurée en Hertz, une unité de fréquence.

Nous avons donc d’abord montré des images aux patients sur un écran d’ordinateur. Nous voulions savoir si les neurones répondaient à une ou plusieurs des images que nous leur montrions. Huit patients ont participé à cette première expérience [2]. Nous leur avons montré une centaine de photos différentes de personnes célèbres, comme les actrices Jennifer Aniston ou Halle Berry, de lieux célèbres comme l’opéra de Sydney ou la tour Eiffel, ainsi que des photos de personnes et de lieux non célèbres, d’animaux, de véhicules, etc.

Pour chaque photo, nous avons compté le nombre de décharges de chaque neurone pour chaque photo (figure 1). Dans l’exemple de la figure 1, un neurone d’un patient avait de nombreux pics électriques (décharges) en réponse à une photo de l’actrice Jennifer Aniston et à la photo d’un éléphant, mais ce même neurone ne réagissait pas à la photo du joueur de basket-ball.

Figure 1 – (A) L’hippocampe est une structure située assez profond dans le cerveau.
(B) Chaque neurone réagist à des images particulières. Ici, vous voyez la réponse du même neurone à trois images. L’image est présentée sur l’écran de l’ordinateur pendant le temps entre les lignes pointillées bleues. Avant et après cette période, l’écran de l’ordinateur reste vide. Si un neurone réagit à une image particulière, sa réponse augmente lorsque l’image est présentée par rapport à la période précédant la présentation de l’image. Ceci est le cas pour les deux premières images, mais pas pour la troisième image.

Nous nous sommes ensuite demandés si un neurone qui répond à une image donnée pourrait également répondre à des images associées. Par exemple, un neurone qui répond au visage de face de Jennifer Aniston réagirait-il aussi à différentes images de l’actrice ou à son nom écrit ? Pour répondre à cette question, nous avons montré à nouveau au patient de nombreuses images, mais cette fois-ci, nous avons inclus sept nouvelles photos de Jennifer Aniston. Les photos étaient très différentes les unes des autres – par exemple, certaines photos la montraient de face, d’autres la montraient souriante, d’autres encore la montraient debout dans un environnement différent, etc. Nous avons constaté que le même neurone se déclenchait pour toutes les différentes photos de l’actrice, mais très peu pour d’autres photos sans Jennifer Aniston. Un autre neurone d’un autre patient a réagi à l’actrice Halle Berry (figure 2). Ce qui était très intéressant, c’est que ces neurones ne réagissaient pas à une image particulière mais à une idée abstraite, ce que le patient savait de Jennifer Aniston (ou de Halle Berry pour le second patient)! Les deux neurones de la figure 2 proviennent de deux patients différents, et nous avons trouvé des neurones similaires chez tous les autres patients également.

Figure 2 – Deux neurones chez deux patients différents qui répondent à des images différentes de la même personne.
La première ligne montre la réponse d’un neurone de l’hippocampe qui a réagi à sept images différentes de l’actrice Jennifer Aniston. Ce neurone n’a pas réagi aux images d’un célèbre joueur de basket-ball, comme vous l’avez vu sur la figure 1B. La hauteur des barres indique l’intensité de la réponse du neurone – plus la barre est haute, plus la réponse est forte. La deuxième rangée montre la réponse d’un autre neurone de l’hippocampe, chez un autre patient, qui répondait à différentes vues de l’actrice Halle Berry. Ce neurone a réagi à des photographies, à un dessin au trait de l’actrice, Halle Berry déguisée en Catwoman, et aussi à son nom. Dans ces deux exemples, les neurones répondent à des images différentes mais associées


LES NEURONES DE L’hippocampe HUMAIN RELIENT-ILS DES OBJETS ASSOCIES ?

Ces exemples montrent que des images différentes mais apparentées ont été associées et que donc certains neurones répondent à des associations. Cette découverte a conduit à l’hypothèse suivante: Est-ce que lorsque vous apprenez à associer deux objets (par exemple, votre ami et son chien), le neurone qui répondait pour votre ami va-t-il aussi répondre pour le chien [3]?

Pour tester cette hypothèse, nous avons mené une autre expérience dans laquelle un nouveau groupe de huit patients a dû apprendre que deux objets étaient associés [4] et nous avons vérifié comment répondaient les neurones de l’hippocampe.

Comme dans la première étude, nous avons d’abord cherché les neurones qui répondaient à des personnes célèbres, comme l’acteur Brad Pitt, puis nous avons fait apprendre une nouvelle association à nos participants. Par exemple Brad Pitt possède cette voiture rouge (exemple de la figure 3). Est-ce que le neurone réagissant à Brad Pitt va ensuite aussi répondre à l’image de la voiture rouge? Nous avons donc compté le nombre de décharges du neurone à l’image de la voiture rouge avant que les patients n’apprennent le lien et après. Si notre hypothèse est correcte, le neurone devrait augmenter sa réponse à la voiture rouge une fois que les patients ont commencé à associer les deux images.

Figure 3 – (A) Nos patients ont été invités à établir des associations entre différentes images, par exemple, l’image d’une voiture rouge avec l’image de l’acteur Brad Pitt. (B) Exemple de la réponse d’un neurone de l’hippocampe: à gauche, avant que le patient n’apprenne l’association (le neurone ne répond qu’à l’image de Brad Pitt), à droite, après l’apprentissage de l’association (le neurone réagit maintenant beaucoup plus à la voiture rouge).

La réponse d’un neurone avant et après l’apprentissage est illustrée en figure 3. Avant que le patient n’apprenne l’association, le neurone ne répondait pas à la voiture rouge. Cependant, une fois que le patient a appris à faire le lien entre l’image de la voiture rouge et l’image de Brad Pitt, les neurones qui, au début, ne répondaient qu’à Brad Pitt ont également commencé à répondre à l’image de la voiture rouge. En d’autres termes, lorsque le patient a créé un lien entre ces deux images, le neurone a également fait le lien entre elles. Là encore, le neurone illustré à la figure 3 est un exemple provenant d’un patient. Nous avons obtenu des résultats similaires chez 36 autres neurones de ce groupe de huit patients.


CONCLUSIONS

Grâce à cette étude, nous avons découvert que les neurones de l’hippocampe relient entre eux des éléments/événements qui se produisent ensemble. En d’autres termes, quand dans notre vie quotidienne, nous associons constamment toutes sortes de nouveaux éléments (comme votre amie et son prénom), les neurones de l’hippocampe sont occupés à créer ces nouvelles associations dans notre cerveau.

Combien de temps les neurones de l’hippocampe stockent-ils ces liens ? Supposons que vous changiez d’école et que vous ne voyiez plus vos anciens camarades. Combien de fois devrez-vous vous souvenir de leurs visages et de leurs noms pour que ces liens demeurent ? Après un certain temps, l’hippocampe ne maintient plus ces informations et les transferre à d’autres régions du cerveau pour un stockage à long terme, mais on ne sait pas au bout de combien de temps, cela se produit. Ces questions cruciales sur la façon dont les souvenirs se créent, où et comment ils sont stockés et quels sont les facteurs qui déterminent s’ils sont conservés ou oubliés ne sont pas résolues et il faut des recherches supplémentaires sur comment notre cerveau fabrique les souvenirs.


Glossaire

Électrode : Un petit fil inséré dans le cerveau qui permet d’écouter l’activité cérébrale.

Epilepsie : L’épilepsie est une maladie neurologique. Pour en savoir plus, voici un excellent article : Qu’est-ce que l’épilepsie et comment pouvez-vous aider quelqu’un qui en souffre ? [1]).

hippocampe : Une structure cérébrale essentielle pour l’apprentissage et la mémoire.

Hertz (symbole : Hz): Unité de mesure de la fréquence de répétition d’un événement pendant une seconde (s-1 ou 1s).

[1] Rogers, S. and Buzsáki, G. 2019. What Is Epilepsy and How Can You Help Someone With It? Front. Young Minds. 7:52. doi: 10.3389/frym.2019.00052

[2] Quiroga, R. Q., Reddy, L., Kreiman, G., Koch, C., and Fried, I. 2005. Invariant visual representation by single neurons in the human brain. Nature 435:1102–7. doi: 10.1038/nature03687

[3] Reddy, L., and Thorpe, S. J. 2014. Concept cells through associative learning of high-level representations. Neuron 84:248–51. doi: 10.1016/j.neuron.2014.10.004

[4] Reddy, L., Poncet, M., Self, M. W., Peters, J. C., Douw, L., van Dellen, E., et al. 2015. Learning of anticipatory responses in single neurons of the human medial temporal lobe. Nat. Commun. 6:8556. doi: 10.1038/ncomms9556


Citation

Reddy L, Self M and Roelfsema P (2020) How Does the Brain Learn to Link Things Together?. Front. Young Minds. 8:144. doi: 10.3389/frym.2019.00144

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