Comment le cerveau retrouve son chemin sans fil d'Ariane
Publié par Adrien le 02/01/2018 à 00:00
Source: CNRS-INSB
Retrouver son chemin dans une ville où toutes les rues se ressemblent, c'est comme sortir d'un labyrinthe sans aucun repère: on ne peut compter que sur une connaissance précise du trajet à suivre et des choix à faire à chaque intersection: "prendre à gauche à la première, à droite à la deuxième...". Des chercheurs du laboratoire 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...) Paris-Seine, en collaboration avec une équipe de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des systèmes intelligents et de robotique, ont couplé imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La...) cérébrale chez la souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie ou de laboratoire, mais aussi de nombreuses espèces de...) et modélisation mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que...) afin de déterminer l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) cognitive impliquée dans l'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,...) d'une telle séquence. Ils ont ainsi identifié le rôle central de l'hippocampe et du cervelet (Sur le plan anatomique le cervelet se compose de trois parties, le vermis (ou lobe moyen du cervelet) et deux lobes symétriques latéraux. Le cervelet se situe dans la fosse postérieure sous la tente du cervelet et sous le...) dans la capacité à mémoriser son chemin vers un but lorsque les informations visuelles sont ambiguës Cette étude a été publiée le 19 décembre 2017 dans la revue Scientific Reports.


Figure: Une double approche, mathématique et expérimentale, révèle l'importance du cervelet et de l'hippocampe pour l'apprentissage et la réalisation de la séquence d'actions orientées vers le but. En rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) sur les figures de droite, les structures clefs dans l'hippocampe: Corne d'Amon de l'hippocampe, partie dorsale (dCA1, dCA3) ou ventrale (vCA3) ; et dans le cervelet: lobule (Lob) IV/V et noyaux fastigial (Fast N) et denté (Dent N).
© Aurélie Watilliaux, Anne-Lise Paradis et Laure Rondi-Reig

Dans cette étude alliant expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des données...) et modélisation, les chercheurs ont mis au point (Graphie) une tâche dans laquelle des souris devaient trouver la sortie d'un labyrinthe en comptant seulement sur leur capacité à mémoriser une séquence de mouvements: à gauche à la première intersection, à droite à la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...).

Pour identifier les circuits cérébraux associés à l'apprentissage de cette séquence, les auteurs ont mesuré l'expression de la protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En général, on parle de...) c-fos (impliquée dans les mécanismes de plasticité synaptique) dans un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de régions cérébrales: 34 au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple :...). Ils ont ainsi pu analyser dans quelle mesure certaines de ces régions fonctionnaient de concert alors que les souris venaient d'explorer le labyrinthe pour la première fois (exploration) ou qu'elles venaient d'apprendre à rejoindre la sortie en utilisant le chemin le plus court (séquence mémorisée). Ils ont ainsi découvert que l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) d'un nouvel environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) implique l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) conjointe de nombreuses régions cortico-striatales alors qu'une fois la séquence apprise, le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...) se réorganise principalement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) de deux structures: l'hippocampe, connu en particulier pour son rôle dans la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) des lieux, mais aussi le cervelet, habituellement cantonné au rôle d'exécutant 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...).

En testant différents algorithmes pour simuler les performances des souris au cours de leur apprentissage, les chercheurs ont également trouvé un modèle d'apprentissage capable de reproduire le comportement individuel des souris. En extrayant de ce modèle des caractéristiques d'apprentissage spécifiques à chaque souris, les deux équipes ont pu identifier les régions dont l'activité était liée à l'évolution de la performance des souris dans la tâche comportementale. Les résultats révèlent à nouveau une implication significative du cervelet et de l'hippocampe dans l'apprentissage du chemin le plus court.

Ainsi, la convergence (Le terme de convergence est utilisé dans de nombreux domaines :) des résultats mathématiques et expérimentaux (voir figure) a permis de démontrer que le cervelet et l'hippocampe jouent 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 »,...) un rôle central lorsqu'il s'agit d'organiser son déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est...) spontané en une séquence d'actions orientées vers un but.
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