Lorsque le désormais célèbre patient neurologique Henry Molaison a fait sectionner chirurgicalement l’hippocampe de son cerveau pour traiter les crises d’épilepsie en 1953, la compréhension de la mémoire par la science a reçu par inadvertance peut-être son plus grand coup de pouce. Molaison perdit la capacité de former de nouveaux souvenirs des événements, et son souvenir de tout ce qui s’était passé au cours de l’année précédente fut gravement altéré. D’autres types de mémoire tels que l’apprentissage des compétences physiques n’ont pas été affectés, ce qui suggère que l’hippocampe gère spécifiquement le rappel d’événements — appelés souvenirs « épisodiques”.
D’autres recherches sur d’autres patients présentant des lésions de l’hippocampe ont confirmé que les souvenirs récents sont plus altérés que les souvenirs lointains. Il semble que l’hippocampe fournit un stockage temporaire pour de nouvelles informations alors que d’autres zones peuvent gérer la mémoire à long terme. Les événements dont nous sommes plus tard capables de nous souvenir semblent être canalisés pour un stockage plus permanent dans le cortex (les couches externes du cerveau responsables de fonctions supérieures telles que la planification et la résolution de problèmes). Dans le cortex, ces souvenirs se forment progressivement, s’intégrant à des informations connexes pour construire une connaissance durable de nous-mêmes et du monde.
Les souvenirs épisodiques destinés au stockage à long terme s’accumulent pour former la mémoire » autobiographique » si essentielle à notre sentiment d’identité. Les neuroscientifiques en savent beaucoup sur la façon dont les souvenirs à court terme se forment dans le cerveau, mais les processus sous-jacents au stockage à long terme ne sont toujours pas bien compris.
Une nouvelle étude publiée ce mois–ci dans Science, par le neuroscientifique Susumu Tonegawa et un groupe de collègues du RIKEN-MIT Center for Neural Circuit Genetics, fournit un aperçu de ce qui se passe dans le cerveau lorsqu’une mémoire à long terme est formée, soulignant le rôle critique de la partie avant du cortex. « C’est l’analyse de circuit la plus détaillée de la contribution du cortex préfrontal à la récupération de la mémoire que nous ayons à ce jour”, explique le neuroscientifique Stephen Maren du Texas A &M University à College Station, qui n’a pas participé aux travaux.
La nouvelle étude du groupe de Tonegawa s’appuie sur des recherches antérieures démontrant que les souvenirs épisodiques sont physiquement représentés dans des populations de cellules dans certaines parties de l’hippocampe. Dans ces études, les chercheurs ont génétiquement modifié des souris afin que certains neurones produisent des protéines sensibles à la lumière. Les activités électriques et chimiques dans les neurones pourraient alors être activées ou désactivées par des impulsions de lumière délivrées via un câble à fibre optique implanté dans le crâne de chaque souris, une technique connue sous le nom d’optogénétique.
Les souris filaires ont reçu un médicament qui bloque la production des protéines sensibles à la lumière. Le fait de retirer les souris du médicament a permis aux cellules qui se sont enflammées pendant qu’elles exploraient un nouvel environnement de fabriquer les protéines, « marquant” efficacement la mémoire de cet environnement. Ces groupes de cellules, appelés « engrammes ” de mémoire, pourraient alors être contrôlés avec les faisceaux de fibres optiques.
Avec ces outils en main, les chercheurs ont donné des décharges électriques aux pieds de souris dans certains de leurs enclos, mais pas dans d’autres. Les souris ont gelé lorsqu’elles ont été remises dans un environnement dans lequel elles étaient auparavant choquées, indiquant un « souvenir de peur. »Lorsque les chercheurs ont activé les engrammes, cela a provoqué la même réaction effrayante. Les aspects émotionnels des souvenirs sont stockés séparément, dans une région appelée amygdale — mais l’activation de l’engramme dans l’hippocampe active tous les composants liés, ramenant la mémoire complète. Ceci est similaire à la façon dont un son ou une odeur peut déclencher un rappel expansif d’une expérience passée dans sa vie.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont entraîné des souris à associer une cage spécifique à des chocs au pied. Ensuite, leur mémoire de ce qui s’est passé a été testée à différents jours jusqu’à trois semaines plus tard. Les chercheurs ont marqué des cellules d’engrammes dans le cortex, puis les ont activées avec de la lumière, provoquant le gel des souris dans des environnements dans lesquels elles n’avaient jamais été choquées. L’équipe a constaté que ces engrammes corticaux ne pouvaient pas être activés par des signaux naturels (placés dans l’enceinte où ils ont été choqués) deux jours après l’entraînement, mais qu’ils pouvaient être activés par des signaux naturels 13 jours après.
Cette découverte montre que bien que les engrammes corticaux se forment immédiatement, ils sont initialement dans ce que Tonegawa appelle un état « silencieux”, ce qui signifie qu’ils ne peuvent pas être activés par des signaux naturels. Les engrammes ne mûrissent que deux semaines plus tard dans un état « actif”, dans lequel ils peuvent répondre à de tels signaux. En revanche, les cellules d’engrammes de l’hippocampe ont été activées par des signaux naturels le deuxième jour après avoir reçu un choc au pied, mais pas le jour 13 — indiquant que les engrammes de l’hippocampe deviennent actifs immédiatement, mais s’estompent progressivement dans un état « silencieux”.
Les recherches de Tonegawa soulignent l’existence de systèmes de mémoire complémentaires: l’un permet une formation rapide de la mémoire mais a une capacité limitée, et doit donc transmettre des informations qui devraient être conservées à un autre système plus durable mais à action plus lente. Cela libère de l’espace dans l’hippocampe qui peut ensuite être réutilisé. « Il y a une division du travail. L’hippocampe peut former des souvenirs actifs très rapidement, tandis que le cortex s’occupe de la stabilité à long terme ”, explique Tonegawa. « Si vous n’avez pas besoin de mémoire prolongée, l’hippocampe suffit; si vous n’avez pas à former de mémoire active rapidement, le cortex suffit; mais nous voulons les deux. »
Les résultats aident à clarifier quand et comment les souvenirs corticaux se forment. Une théorie antérieure soutenait que l’information est lentement transférée dans le cortex, mais les résultats de Tonegawa soutiennent l’idée alternative selon laquelle les engrammes corticaux se forment immédiatement mais ont besoin de temps pour se développer. ”La question clé que ce travail résout est de savoir si les engrammes de mémoire se déplacent de l’hippocampe vers des sites de stockage corticaux au fil du temps ou s’ils sont établis dans le cortex pendant l’apprentissage et démasqués au fil du temps », explique Maren. « C’est une preuve solide pour ce dernier. »
L’équipe a également montré que le blocage des entrées de l’amygdale par l’hippocampe lors des tests de mémoire altérait les performances de la mémoire à court terme (testées les deuxième et huitième jours) – mais pas la mémoire lointaine (testée les jours 15 et 22) — alors que le blocage des entrées de l’amygdale par le cortex montrait le schéma inverse. En d’autres termes, les engrammes de mémoire dans l’amygdale étaient maintenus tout au long et étaient nécessaires pour rappeler les souvenirs de peur — mais il y avait un changement dans la région à laquelle l’amygdale devait être connectée pour que la mémoire fonctionne. « Les cellules qui permettent à une souris de se souvenir de la peur d’un souvenir sont maintenues du jour 1 à trois semaines plus tard”, explique Tonegawa. « Mais il y a un changement dans l’utilisation des connexions: à trois semaines, lorsque l’engramme de l’hippocampe n’est plus actif, la connectivité entre l’engramme du cortex préfrontal et l’engramme de l’amygdale permet à l’animal de se souvenir de la mémoire de la peur. »
L’étude « fournit des preuves convaincantes sur où et quand des neurones spécifiques contribuent à une forme particulière de mémoire de manière essentielle à des moments particuliers pendant et après l’apprentissage”, explique le neuroscientifique Howard Eichenbaum, directeur du Center for Memory and Brain à l’Université de Boston, qui ne faisait pas partie de la recherche. Même s’il s’agit d’un tour de force technique, l’article laisse plusieurs questions ouvertes: « L’étude ne nous dit pas s’il existe d’autres cellules importantes pour ce type de mémoire, ou quoi que ce soit sur d’autres types de mémoire”, dit-il. Plus important encore, ajoute-t—il, cela nous dit seulement que certaines cellules, dans certaines régions à des moments précis, font des souvenirs – pas comment elles y contribuent. ”Quel type de traitement de l’information le cortex préfrontal contribue-t-il, dit-il, qui n’est pas essentiel pour l’apprentissage ou la récupération peu de temps après, mais qui devient essentiel quelque temps plus tard? »Chaque région concernée a des fonctions différentes et traite l’information de différentes manières. Aucun n’est spécifiquement dédié à la mémoire, qui consiste en des traces laissées au fur et à mesure que ces systèmes neuronaux traitent les expériences. L’hippocampe, par exemple, représente des informations spatiales en utilisant des cellules de « lieu” qui cartographient l’environnement, expliquant potentiellement comment elles pourraient contribuer à la composante « où” de la mémoire épisodique. On ne sait pas quel rôle joue le traitement du cortex préfrontal, mais Eichenbaum spécule que son rôle dans l’organisation et le choix entre les alternatives pourrait être de plus en plus pertinent à mesure que les souvenirs vieillissent.
Une image plus incisive du fonctionnement de la mémoire commence lentement à émerger et ces nouvelles découvertes aideront à propulser de nouvelles recherches sur divers types de mémoire.