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Posté par Isabelle le Lundi 30/04/2012 à 12:00
Lumières sur les neurones en train d'apprendre
Apprendre et se souvenir, voilà deux qualités que nous partageons avec tous les animaux et que nous exploitons sans même y prêter attention.Les mécanismes neuronaux qui se cachent derrière ces phénomènes demandant à la fois de la stabilité et de la flexibilité restent pourtant méconnus. Une étude réalisée par un professeur de la Faculté de Médecine de l'Université de Genève (UNIGE) et des chercheurs américains a ouvert une nouvelle fenêtre sur ces mécanismes étonnants. L'équipe a en effet réussi à suivre optiquement l'activité du même ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme l'énonçait...) neuronal pendant des semaines d'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs culturelles, par l'observation, l'imitation,...). Ces résultats sont publiés dans le magazine Nature.

Que se passe-t-il au niveau neuronal lorsque l'on apprend ? Une question qui intéresse le neurobiologiste Daniel Huber, nouvellement arrivé au Département des neurosciences (Les neurosciences correspondent à l'ensemble de toutes les disciplines biologiques et médicales qui étudient tous les aspects, tant normaux que pathologiques, des neurones et du...) fondamentales de l'UNIGE.Pendant son séjour aux États Unis (L'UNIS, pour UNIversité du Svalbard, est une université norvégienne implantée en 1993, à Longyearbyen (2000 habitants), principale cité du...), il a travaillé avec son équipe d'arrache pied à mieux comprendre ce mécanisme fondamental. «Que fait un neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans le vocabulaire médical en 1881 par...) au quotidien? Est-ce qu'il participe toujours aux mêmes fonctions ? Comment change sa réponse pendant l'apprentissage ?» questionne le professeur. L'une des façons de répondre à ces interrogations consiste à suivre en direct l'activité d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de neurones durant un apprentissage avec le but d'établir un modèle capable de mettre en évidence le lien entre les changements comportementaux et les changements des représentations neuronales.

Quand la souris se concentre

Il est actuellement impossible et même illusoire de suivre l'activité d'un grand nombre de neurones individuels en direct chez un être humain. Mais les chercheurs se sont rendus compte que la souris pouvait constituer un excellent sujet pour ce genre d'investigation. «Ces petits rongeurs nous ont surpris par leur capacité à apprendre rapidement des tâches précises et complexes et à se concentrer pendant des heures (L'heure est une unité de mesure  :), explique Daniel Huber. Il est cependant important de les motiver et de les récompenser continuellement. C'est exactement comme pour nous.»

La tâche des souris, placées sous le microscope, consistait à balayer l'espace devant elles avec leurs moustaches en quête d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...). Parfois l'objet était atteignable, parfois il ne l'était pas. Chaque fois que le rongeur réussissait à détecter l'objet correctement avec ses moustaches, il devait répondre avec un mouvement de la langue et recevait en récompense une goutte d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) à boire. «Ce dispositif met en relation un circuit sensoriel, le toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal, essentiel pour la survie et le développement des...) des moustaches, avec un circuit moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir...), celui du mouvement de la langue, pour signaler la détection de l'objet au bon moment et collecter la récompense ensuite» précise le neurobiologiste.

Restait à suivre l'activité dans le cortex (En biologie, le cortex (mot latin signifiant écorce) désigne la couche superficielle ou périphérique d'un tissu organique.) cérébral des souris pendant cet apprentissage particulier. Les chercheurs ont alors remplacé une petite partie de l'os au-dessus du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et constitue...) par une minuscule fenêtre en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus...) aux mêmes dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...). Cette fenêtre a permis à l'équipe de Daniel Huber de filmer quotidiennement l'activité des mêmes 500 neurones grâce à un microscope à deux photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...). Les cellules nerveuses sous la fenêtre ont été préalablement modifiées par des moyens génétiques pour exprimer un marqueur fluorescent changeant d'intensité en fonction de leurs activités.

«Nous avons ensuite corrélé l'activité individuelle de ces neurones avec toutes les actions de la souris, les différents mouvements des moustaches et de la langue. Un peu comme si on synchronisait la bande son d'un film !» ajoute le neurobiologiste. Les chercheurs ont confié cette masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) de données à des programmes algorithmiques dont le but était d'établir un lien entre les activités au niveau neuronal et toutes les informations sensorielles et moteur, de façon à les modéliser le plus fidèlement que possible.

Le programme a semble-t-il rempli son rôle puisque, grâce à lui, Daniel Huber et ses collègues disposent désormais d'un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une...) de décodage neuronal efficace et fiable. Ils ont réussi à construire une carte fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été...) des neurones enregistrés qui décrit leur implication dans les différents aspects de la tâche comportementale.

Un effet lié à la récompense

Cette carte leur a révélé plusieurs points fondamentaux: «Alors que les mouvements des moustaches deviennent de plus en plus efficaces et précis pendant l'apprentissage, leur représentation neuronale reste relativement stable, autrement dit, on ne constate pas de modifications fondamentales dans l'activité de neurones concernés. Par contre, la représentation neuronale de la récompense se démarque de plus en plus nettement». D'une façon simpliste, on pourrait dire que même si la souris devient experte dans différents aspects moteur de la tâche comportementale, les traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la...) de cette expérience s'inscrivent sélectivement dans une population de neurones précise, celle qui active le mouvement de langue pour récolter la goutte d'eau.

D'autres analyses ont relevé que les neurones individuels restaient fidèlement liés à un certain aspect du comportement, mais que la plupart gardait une grande flexibilité et pouvait rester silencieux pendant des journées entières. Cette stabilité fonctionnelle, malgré une flexibilité à participer (ou pas) dans une certaine représentation neuronale au quotidien,a été d'ailleurs prédite dans différents travaux théoriques sur le sujet de l'apprentissage.

«Est-ce que ces caractéristiques sont un aspect particulier de la région moteur enregistrée ou est-ce une règle générale qui s'impose partout dans notre cortex cérébral?» se demande Daniel Huber. C'est d'ailleurs une des questions qu'on étudie actuellement dans mon laboratoire à Genève»

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Source: UNIGE - Université de Genève