Les chercheurs ont démontré que les rats, grâce à une nouvelle interface cerveau-machine et à un système de réalité virtuelle, peuvent activer des modèles d’activité hippocampique pour imaginer et naviguer vers des endroits similaires à l’imagination humaine. Cette découverte révèle la capacité des animaux à contrôler volontairement leurs pensées et pourrait faire progresser l’étude de la mémoire et le développement de prothèses.
En tant qu’êtres humains, nos vies sont étroitement liées à nos pensées, que nous envisagions des options de dîner ou que nous nous livrions aux souvenirs de notre récente escapade à la plage.
Fait intéressant, les scientifiques du campus de recherche Janelia du HHMI ont découvert que les animaux ont aussi une imagination.
Un groupe de chercheurs des laboratoires Lee et Harris a conçu une approche innovante qui fusionne la réalité virtuelle avec une interface cerveau-machine pour explorer les pensées intérieures des rats.
Ils ont découvert que, comme les humains, les animaux peuvent penser à des endroits et à des objets qui ne se trouvent pas juste devant eux, en utilisant leurs pensées pour imaginer marcher vers un endroit ou déplacer un objet distant vers un endroit spécifique.
Une équipe du Janelia Research Campus de HHMI a développé un nouveau système combinant réalité virtuelle et interface cerveau-machine pour sonder les pensées intérieures du rat. Le rat est exploité dans le système VR. Lorsque le rat marche sur un tapis roulant sphérique, ses mouvements sont traduits sur l’écran à 360 degrés. Le rat est récompensé lorsqu’il atteint son objectif. Crédit : Chongxi Lai
Comme les humains, lorsque les rongeurs découvrent des lieux et des événements, des modèles d’activité neuronale spécifiques sont activés dans l’hippocampe, une zone du cerveau responsable de la mémoire spatiale. La nouvelle étude révèle que les rats peuvent volontairement générer ces mêmes schémas d’activité et le faire pour se souvenir d’emplacements éloignés de leur position actuelle.
« Le rat peut en effet activer la représentation de lieux dans l’environnement sans y aller », explique Chongxi Lai, postdoctorant aux laboratoires Harris et Lee et premier auteur d’un article décrivant les nouvelles découvertes. « Même si son corps physique est fixe, ses pensées spatiales peuvent se diriger vers un endroit très éloigné. »
Cette capacité à imaginer des lieux éloignés de sa position actuelle est fondamentale pour se souvenir des événements passés et imaginer des scénarios futurs possibles. Les nouveaux travaux montrent donc que les animaux, comme les humains, possèdent une forme d’imagination, selon les auteurs de l’étude.
Pendant que le rat navigue dans l’arène VR, le système BMI enregistre l’activité hippocampique du rat. Les chercheurs peuvent voir quels neurones sont activés lorsque le rat parcourt l’arène pour atteindre chaque objectif. Ces signaux constituent la base d’un IMC hippocampique en temps réel, l’activité hippocampique du cerveau étant traduite en actions sur l’écran. Crédit : Chongxi Lai
« Imaginer est l’une des choses remarquables que les humains peuvent faire. Maintenant, nous avons découvert que les animaux peuvent aussi le faire, et nous avons trouvé un moyen de l’étudier », explique Albert Lee, ancien chef de groupe chez Janelia et maintenant enquêteur HHMI au centre médical Beth Israel Deaconess.
Une nouvelle interface cerveau-machine
Le projet a débuté il y a neuf ans lorsque Lai est arrivé à Janelia en tant qu’étudiant diplômé avec l’idée de tester si un animal pouvait penser. Son conseiller, Tim Harris, chercheur principal de Janelia, a suggéré à Lai de descendre dans le couloir pour discuter avec Lee, dont le laboratoire avait des questions similaires.
Ensemble, les laboratoires ont travaillé pour développer un système permettant de comprendre ce que pensent les animaux – un « détecteur de pensée » en temps réel capable de mesurer l’activité neuronale et de traduire ce qu’elle signifie.
Ensuite, les chercheurs ont déconnecté le tapis roulant et ont récompensé le rat pour avoir reproduit le modèle d’activité hippocampique associé à un emplacement cible. Dans cette tâche « Jumper » – du nom d’un film du même nom sorti en 2008 – l’IMC traduit l’activité cérébrale de l’animal en mouvement sur l’écran de réalité virtuelle. Essentiellement, l’animal utilise ses pensées pour naviguer vers la récompense en réfléchissant d’abord à l’endroit où il doit aller pour obtenir la récompense. Crédit : Chongxi Lai
Le système utilise une interface cerveau-machine (IMC), qui établit une connexion directe entre l’activité cérébrale et un appareil externe. Dans le système de l’équipe, l’IMC établit un lien entre l’activité électrique de l’hippocampe du rat et sa position dans une arène de réalité virtuelle à 360 degrés.
L’hippocampe stocke des cartes mentales du monde impliquées dans le rappel des événements passés et l’imagination de scénarios futurs. Le rappel de la mémoire implique la génération de modèles d’activité hippocampique spécifiques liés à des lieux et à des événements. Mais personne ne savait si les animaux pouvaient contrôler volontairement cette activité.
L’IMC permet aux chercheurs de tester si un rat peut activer l’activité hippocampique pour simplement penser à un endroit dans l’arène sans y aller physiquement – essentiellement, en détectant si l’animal est capable de imaginer aller à l’emplacement.
Sonder les pensées intérieures du rat
Une fois leur système développé, les chercheurs ont dû créer le « dictionnaire de pensées » qui leur permettrait de décoder les signaux cérébraux du rat. Ce dictionnaire compile à quoi ressemblent les modèles d’activité lorsque le rat fait l’expérience de quelque chose – dans ce cas, des endroits dans l’arène VR.
Le rat est exploité dans le système VR, conçu par Shinsuke Tanaka, postdoctorant au Lee Lab. Lorsque le rat marche sur un tapis roulant sphérique, ses mouvements sont traduits sur l’écran à 360 degrés. Le rat est récompensé lorsqu’il atteint son objectif.
Dans le même temps, le système BMI enregistre l’activité hippocampique du rat. Les chercheurs peuvent voir quels neurones sont activés lorsque le rat parcourt l’arène pour atteindre chaque objectif. Ces signaux constituent la base d’un IMC hippocampique en temps réel, l’activité hippocampique du cerveau étant traduite en actions sur l’écran.
Ensuite, les chercheurs déconnectent le tapis roulant et récompensent le rat pour avoir reproduit le modèle d’activité hippocampique associé à un emplacement cible. Dans cette tâche « Jumper » – du nom d’un film du même nom sorti en 2008 – l’IMC traduit l’activité cérébrale de l’animal en mouvement sur l’écran de réalité virtuelle. Essentiellement, l’animal utilise ses pensées pour naviguer vers la récompense en réfléchissant d’abord à l’endroit où il doit aller pour obtenir la récompense. Ce processus de pensée est quelque chose que les humains expérimentent régulièrement. Par exemple, lorsqu’on nous demande d’aller chercher des produits d’épicerie dans un magasin familier, nous pouvons imaginer les endroits que nous traverserons en cours de route avant même de quitter la maison.
Dans la deuxième tâche, la tâche « Jedi » – un clin d’œil à Guerres des étoiles – le rat déplace un objet vers un endroit par ses seules pensées. Le rat est fixé dans un lieu virtuel mais « déplace » un objet vers un objectif dans l’espace VR en contrôlant son activité hippocampique, comme une personne assise dans son bureau pourrait imaginer prendre une tasse à côté de la machine à café et la remplir de café. . Les chercheurs ont ensuite modifié l’emplacement de l’objectif, obligeant l’animal à produire des schémas d’activité associés au nouvel emplacement.
L’équipe a découvert que les rats peuvent contrôler leur activité hippocampique avec précision et flexibilité, de la même manière que les humains le font probablement. Les animaux sont également capables de maintenir cette activité hippocampique, en maintenant leurs pensées à un endroit donné pendant plusieurs secondes – un laps de temps similaire à celui pendant lequel les humains revivent des événements passés ou imaginent de nouveaux scénarios.
« Ce qui est étonnant, c’est la façon dont les rats apprennent à penser à cet endroit, et à aucun autre, pendant une très longue période de temps, sur la base de notre notion, peut-être naïve, de la capacité d’attention d’un rat », explique Harris.
La recherche montre également que l’IMC peut être utilisé pour sonder l’activité hippocampique, fournissant ainsi un nouveau système pour étudier cette importante région du cerveau. L’IMC étant de plus en plus utilisé en prothèse, ces nouveaux travaux ouvrent également la possibilité de concevoir de nouveaux dispositifs prothétiques basés sur les mêmes principes, selon les auteurs.
