Comment intégrer les expériences d'une vie humaine dans 1,3 kilogramme de cerveau ? Les neuroscientifiques recherchent depuis des décennies les cellules qui génèrent et stockent nos souvenirs. Aujourd’hui, des indices surprenants sont apparus dans le cerveau de souris en hibernation.
En deux jours, des souris en hibernation ont temporairement perdu près de la moitié des connexions entre leurs cellules cérébrales dans une région cérébrale clé pour la mémoire. Mais après cette épreuve, les souris ont conservé leurs souvenirs. L’imagerie montre que les connexions clés entre les cellules cérébrales ont repoussé, souvent exactement au même endroit d’où elles avaient disparu. Les chercheurs ont également identifié des groupes de connexions de cellules cérébrales en forme de hub qui ont été préservés pendant l'abattage.
Les résultats, publiés le 13 août dans Sciencerapprochent les scientifiques de la compréhension de la manière dont les souvenirs sont acquis, perdus et préservés.
Le cerveau humain enregistre constamment de nouveaux souvenirs, mais parvient néanmoins à conserver certaines de ces informations à long terme. Concilier ces deux capacités est un défi, explique Kazumasa Tanaka, neuroscientifique à l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa au Japon.
L'hippocampe, centre de la mémoire épisodique, est « l'une des structures les plus dynamiques du cerveau », explique Tanaka. Là, les synapses – les connexions entre les cellules cérébrales qui font partie intégrante du fonctionnement cérébral – grandissent et rétrécissent presque constamment, mais permettent au cerveau de se souvenir de ces souvenirs épisodiques, comme un repas ou un coucher de soleil particulièrement important, des années plus tard.
Aucun animal ne démontre mieux ce mystère que le spermophile. Dans une expérience classique en neurosciences, des chercheurs russes ont montré que les écureuils en hibernation perdaient leurs connexions cérébrales pendant leur dormance. Mais ces structures ont été entièrement réparées quelques heures après la fin de leur hibernation.
Plutôt que d'attendre l'hiver avec les écureuils, l'équipe de Tanaka a induit une forme d'hibernation artificielle chez les souris. Les chercheurs ont photographié le cerveau des souris avant, pendant et après avoir utilisé la microscopie électronique, qui révèle avec des détails éclatants les synapses et les structures associées appelées épines dendritiques. Pendant l'hibernation, l'activité des hippocampes des souris a chuté de 70 pour cent.
D’innombrables expériences ont montré que la force d’une mémoire nouvellement formée dépend de la force des connexions synaptiques liées. Tanaka dit que son équipe s'attendait à ce que les grandes épines dendritiques et les connexions synaptiques plus fortes qu'elles établissent soient préservées pendant l'hibernation. Ce n'est pas ce qu'ils ont vu.
Lorsque leur cerveau a fermé ses portes, les neurones des souris ont retiré plus de la moitié de leurs connexions synaptiques par rapport aux souris qui n'ont pas hiberné. Mais deux jours seulement après la fin de l’hibernation, ces connexions avaient été rétablies. De nombreuses épines qui ont persisté pendant l’hibernation ont été trouvées dans des jonctions cérébrales très actives appelées boutons multisynaptiques. Les synapses ont deux composants : un axone qui envoie des messages chimiques et une colonne vertébrale dendritique qui les reçoit. Au niveau des boutons multisynaptiques, un seul axone se connecte à plusieurs épines, comme un adaptateur multiprise qui dirige l'électricité vers plusieurs appareils.
Dans différentes expériences, des souris anesthésiées ont reçu un médicament connu pour altérer la formation de la mémoire. Ces souris ont perdu leurs boutons multisynaptiques – et leur mémoire.
« Il semble que les boutons multisynaptiques soient la clé pour préserver cette connectivité structurelle », explique Michele Pignatelli, neuroscientifique au MIT qui n'a pas participé à l'étude.
Une autre découverte surprenante est que plus de 80 pour cent des épines dendritiques perdues sont réapparues aux mêmes endroits qu’avant l’hibernation. « Cela me dit que même si la colonne vertébrale est perdue, la machinerie synaptique… est toujours là », déclare Cliff Abraham, neuroscientifique à la retraite de l'Université d'Otago à Dunedin, en Nouvelle-Zélande, qui n'a pas participé à la recherche. On ne sait pas comment ces connexions sont rétablies avec une telle précision.
Après que les souris soient sorties de leur hibernation, l'équipe de Tanaka a évalué leur capacité à se souvenir des endroits liés à des récompenses alimentaires ou à de légers chocs électriques dont elles avaient entendu parler avant leur repos. Malgré les énormes changements survenus dans leur cerveau, ces souris pouvaient encore se souvenir de la peur d’un choc ou de l’emplacement d’une friandise.
Selon les experts, ces nouvelles découvertes remettent en question l'idée selon laquelle les connexions individuelles formées au cours d'un souvenir doivent être maintenues tout au long de leur vie. Au lieu de cela, l’architecture du réseau cérébral plus large semble préserver la mémoire.
L'objectif de Tanaka est maintenant de voir s'il existe une recette secrète qui donne leur force aux épines épargnées. « Nous travaillons actuellement… pour voir s'il existe des profils moléculaires uniques qui rendraient spéciales ces épines survivantes en hibernation », dit-il.