298. NEUROSCIENCES
Le futur au rêve : les neurones prédisent les événements pendant le sommeil
Résumé : Les chercheurs ont découvert que certains neurones non seulement rejouent les expériences passées mais anticipent également les événements futurs pendant le sommeil.
En étudiant l'activité hippocampique des rats, ils ont découvert que les neurones stabilisent les représentations spatiales et préparent les tâches futures. Cette étude révolutionnaire révèle le rôle du sommeil dans la neuroplasticité et la consolidation de la mémoire.
Faits marquants:
1. Les neurones de l’hippocampe anticipent les expériences futures pendant le sommeil.
2. Les ondulations aiguës dans le cerveau contribuent à la consolidation de la mémoire et à la représentation spatiale.
3. L’étude utilise un apprentissage automatique avancé pour suivre l’activité des neurones et prédire le comportement.
Source : Université Rice
Certains rêves peuvent en fait prédire l’avenir : une nouvelle recherche a révélé que pendant le sommeil, certains neurones non seulement rejouent le passé récent mais anticipent également les expériences futures.
Cette découverte fait partie d’une série d’enseignements apportés par une étude sur le sommeil et l’apprentissage publiée dans Nature par une équipe de chercheurs de l’Université Rice et de l’Université du Michigan.
Plus précisément, les chercheurs ont suivi des ondulations aiguës, un modèle d'activation neuronale connu pour jouer un rôle dans la consolidation de nouveaux souvenirs et, plus récemment, pour marquer les parties d'une nouvelle expérience qui doivent être stockées sous forme de souvenirs. Crédit : Neuroscience News
Cette étude offre une vision inédite de la manière dont les neurones individuels de l'hippocampe des rats stabilisent et ajustent les représentations spatiales pendant les périodes de repos qui suivent la première fois que les animaux ont parcouru un labyrinthe.
« Certains neurones s'activent en réponse à des stimuli spécifiques », explique Kamran Diba, professeur associé d'anesthésiologie au Michigan et auteur correspondant de l'étude. « Les neurones du cortex visuel s'activent lorsqu'ils sont confrontés au stimulus visuel approprié. Les neurones que nous étudions montrent des préférences de lieu. »
En collaboration avec des collaborateurs du Neural Circuits and Memory Lab du Michigan dirigés par Diba, le neuroscientifique de Rice, Caleb Kemere, a étudié le processus par lequel ces neurones spécialisés produisent une représentation du monde après une nouvelle expérience.
Les chercheurs ont notamment suivi les ondulations aiguës, un modèle d’activation neuronale connu pour jouer un rôle dans la consolidation de nouveaux souvenirs et, plus récemment, pour marquer les parties d’une nouvelle expérience qui doivent être stockées sous forme de souvenirs.
« Pour la première fois dans cette étude, nous avons observé comment ces neurones individuels stabilisent les représentations spatiales pendant les périodes de repos », a déclaré Kemere, professeur associé de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie à Rice.
Le sommeil est essentiel à la mémoire et à l’apprentissage. La science a quantifié cette intuition séculaire en mesurant les performances aux tests de mémoire après une sieste plutôt qu’après une période d’éveil ou même de privation de sommeil.
Il y a quelques décennies, les scientifiques ont également découvert que les neurones du cerveau des animaux endormis qui avaient été autorisés à explorer un nouvel environnement juste avant de se reposer s'activaient de manière à reproduire les trajectoires des animaux pendant l'exploration.
Cette découverte concorde avec les connaissances selon lesquelles le sommeil aide les nouvelles expériences à se cristalliser en souvenirs stables, suggérant ainsi que les représentations spatiales de bon nombre de ces neurones spécialisés dans l’hippocampe sont stables pendant le sommeil. Cependant, les chercheurs voulaient voir si l’histoire était plus complexe.
« Nous avons imaginé que certains neurones pourraient modifier leurs représentations, reflétant l’expérience que nous avons tous vécue en nous réveillant avec une nouvelle compréhension d’un problème », a déclaré Kemere. « Cependant, pour montrer cela, nous avons dû suivre la manière dont les neurones individuels parviennent à un réglage spatial, c’est-à-dire le processus par lequel le cerveau apprend à naviguer sur un nouvel itinéraire ou un nouvel environnement. »
Les chercheurs ont entraîné des rats à courir en avant et en arrière sur une piste surélevée avec une récompense liquide à chaque extrémité et ont observé comment les neurones individuels de l'hippocampe des animaux « montaient en flèche » au cours du processus. En calculant un taux moyen de montée en flèche sur de nombreux tours en avant et en arrière, les chercheurs ont pu estimer le champ de localisation des neurones, ou la zone de l'environnement qui « importait » le plus à un neurone donné.
« Le point critique ici est que les champs de localisation sont estimés en utilisant le comportement de l'animal », a déclaré Kemere, soulignant le défi d'évaluer ce qui se passe dans les champs de localisation pendant les périodes de repos lorsque l'animal ne se déplace pas physiquement dans le labyrinthe.
« Je réfléchis depuis longtemps à la manière dont nous pouvons évaluer les préférences des neurones en dehors du labyrinthe, par exemple pendant le sommeil », explique Diba. « Nous avons relevé ce défi en reliant l’activité de chaque neurone à l’activité de tous les autres neurones. »
C’est là que réside l’innovation clé de l’étude : les chercheurs ont développé une approche d’apprentissage automatique statistique qui utilise les autres neurones étudiés pour estimer l’endroit où l’animal rêve d’être. Ils ont ensuite utilisé ces positions rêvées pour estimer le processus de réglage spatial de chaque neurone dans leurs ensembles de données.
« La capacité de suivre les préférences des neurones même sans stimulus a été une avancée importante pour nous », a déclaré Diba.
Diba et Kemere ont tous deux félicité Kourosh Maboudi, chercheur postdoctoral au Michigan et auteur principal de l’étude, pour son rôle dans le développement de l’approche de réglage appris.
La méthode a confirmé que les représentations spatiales qui se forment pendant l’expérience d’un nouvel environnement sont, pour la plupart des neurones, stables pendant plusieurs heures de sommeil après l’expérience. Mais comme les chercheurs l’avaient anticipé, il y avait plus à dire.
« Ce que j’ai le plus aimé dans cette recherche et la raison pour laquelle j’étais si enthousiaste à ce sujet, c’est de découvrir que ce n’est pas nécessairement le cas que pendant le sommeil, la seule chose que font ces neurones est de stabiliser un souvenir de l’expérience », a déclaré Kemere. « Il s’avère que certains neurones finissent par faire autre chose.
« Nous pouvons voir ces autres changements se produire pendant le sommeil, et lorsque nous remettons les animaux dans l’environnement une deuxième fois, nous pouvons valider que ces changements reflètent vraiment quelque chose qui a été appris pendant que les animaux dormaient. C’est comme si la deuxième exposition à l’espace se produisait en fait pendant que l’animal dormait. »
C’est important car cela constitue une observation directe de la neuroplasticité telle qu’elle se produit pendant le sommeil. Kemere a souligné que presque toutes les recherches sur la plasticité – qui examinent les mécanismes qui permettent aux neurones de se recâbler et de former de nouvelles représentations – examinent ce qui se passe pendant les périodes d’éveil lorsque les stimuli sont présentés plutôt que pendant le sommeil lorsque les stimuli pertinents sont absents.
« Il semble que la plasticité ou le recâblage dans le cerveau nécessite des échelles de temps très rapides », a déclaré Diba, soulignant la relation fascinante entre la durée de l'expérience réelle, « qui peut prendre l'espace de quelques secondes, minutes mais aussi heures ou jours », et les souvenirs réels, « qui sont super compressés ».
« Si vous vous souvenez de quelque chose, de la mémoire ⎯ c'est instantané », a déclaré Diba, faisant référence à un célèbre passage littéraire de l'écrivain moderniste français Marcel Proust dans lequel un souvenir d'enfance déroule tout un monde perdu d'expériences passées à peine un instant.
L’étude est un exemple des avancées en neurosciences rendues possibles au cours des dernières décennies par les progrès technologiques dans la conception de sondes neuronales stables et à haute résolution ainsi que par la puissance de calcul basée sur l’apprentissage automatique.
À la lumière de ces avancées, Kemere a déclaré que la neuroscience était sur le point de faire des progrès significatifs à l'avenir, tout en exprimant en même temps son inquiétude quant à l'impact des récentes coupes budgétaires sur la poursuite des recherches.
« Il est tout à fait possible que si nous avions commencé ce travail aujourd'hui, nous n'aurions pas pu faire ces expériences et obtenir ces résultats », a déclaré Kemere. « Nous sommes vraiment reconnaissants que l'opportunité ait été là. »
Financement : La recherche a été soutenue par les National Institutes of Health (R01NS115233, R01MH117964). Le contenu de ce communiqué de presse relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles du NIH.
À propos de cette actualité sur le sommeil et les neurosciences
Auteur : Silvia Cernea Clark
Source : Rice University
Contact : Silvia Cernea Clark – Rice University
Image : L'image est créditée à Neuroscience News
Recherche originale : Accès fermé.
« Réajustement des représentations hippocampiques pendant le sommeil » par Kamran Diba et al. Nature
Abstrait
Réharmonisation des représentations hippocampiques pendant le sommeil
Les représentations hippocampiques qui sous-tendent la mémoire spatiale subissent un affinement continu après leur formation.
Ici, pour suivre le réglage spatial des neurones de manière dynamique pendant les états hors ligne, nous avons utilisé une nouvelle approche d'apprentissage bayésien basée sur la position décodée moyenne déclenchée par des pics dans des enregistrements d'ensemble provenant de rats en mouvement libre.
En mesurant ces réglages, nous avons trouvé des représentations spatiales dans les ondulations aiguës de l'hippocampe qui étaient stables pendant des heures pendant le sommeil et étaient fortement alignées avec les champs de lieu initialement observés lors de l'exploration du labyrinthe.
Ces représentations ont été expliquées par une combinaison de facteurs qui comprenaient une structure préconfigurée avant l'exposition au labyrinthe et des représentations qui ont émergé pendant les oscillations θ et les ondulations d'ondes aiguës éveillées pendant la présence dans le labyrinthe, révélant la contribution de ces événements dans la formation d'ensembles.
Étonnamment, les représentations d’ondulations pendant le sommeil prédisaient les futurs champs de lieu des neurones lors d’une réexposition au labyrinthe, même lorsque ces champs s’écartaient des préférences de lieu précédentes.
En revanche, nous avons observé des réglages avec un mauvais alignement avec les champs de place du labyrinthe pendant le sommeil et le repos avant l'exposition au labyrinthe et dans les dernières étapes du sommeil.
En résumé, la nouvelle approche de décodage nous a permis de déduire et de caractériser la stabilité et le réajustement des champs de lieu pendant les périodes hors ligne, révélant l’émergence rapide de représentations par suite d’une nouvelle exploration et le rôle du sommeil dans la dynamique représentationnelle de l’hippocampe.
Juillet 2024
