Des chercheurs de l'UCLA ont découvert un nouveau mécanisme de mémoire dans le cerveau qui réduit les coûts énergétiques et améliore le stockage de la mémoire, offrant potentiellement de nouvelles perspectives sur la maladie d'Alzheimer et d'autres troubles de la mémoire.
La recherche d'UCLA Health identifie un nouvel état de mémoire appelé inactivité persistante spontanée.
Les chercheurs de l'UCLA Health ont identifié un processus qui permet de mémoriser tout en réduisant les coûts métaboliques, même pendant le sommeil. Cette mémoire efficace se trouve dans une région du cerveau essentielle à l'apprentissage et à la mémoire, où se trouve également Alzheimer la maladie apparaît.
La découverte est publiée dans la revue Communications naturelles.
Cela vous semble-t-il familier : vous allez à la cuisine chercher quelque chose, mais quand vous y arrivez, vous oubliez ce que vous vouliez. C'est votre mémoire de travail défaillante. La mémoire de travail est définie comme la mémorisation de certaines informations pendant une courte période pendant que vous faites autre chose. Nous utilisons la mémoire de travail pratiquement tout le temps. Les patients atteints de la maladie d'Alzheimer et de démence ont des déficits de mémoire de travail et cela se manifeste également par des troubles cognitifs légers (MCI). Des efforts considérables ont donc été consacrés à la compréhension des mécanismes par lesquels les vastes réseaux de neurones du cerveau créent la mémoire de travail.
Le rôle du cortex entorhinal
Lors des tâches de mémoire de travail, la couche la plus externe du cerveau, connue sous le nom de néocortex, envoie des informations sensorielles vers des régions plus profondes du cerveau, y compris une région centrale appelée cortex entorhinal, qui est cruciale pour la formation des souvenirs. Les neurones du cortex entorhinal présentent un ensemble complexe de réponses, qui ont longtemps intrigué les scientifiques et qui ont abouti au prix Nobel de médecine 2014, mais les mécanismes régissant cette complexité sont inconnus. Le cortex entorhinal est l'endroit où la maladie d'Alzheimer commence à se former.
« Il est donc essentiel de comprendre quel genre de magie se produit dans le réseau cortico-entorhinal, lorsque le néocortex parle au cortex entorhinal qui le transforme en mémoire de travail. Cela pourrait fournir un diagnostic précoce de la maladie d'Alzheimer et de la démence associée, ainsi que des troubles cognitifs légers », a déclaré l'auteur correspondant Mayank Mehta, neurophysicien et chef du Centre WM Keck de neurophysique et du Centre de physique de la vie à UCLA.
Pour résoudre ce problème, Mehta et ses coauteurs ont conçu une nouvelle approche : un « microscope mathématique ».
Dans le monde de la physique, les modèles mathématiques sont couramment utilisés, de Kepler à Newton et Einstein, pour révéler des choses étonnantes que nous n'avons jamais vues ni même imaginées, comme le fonctionnement interne des particules subatomiques et l'intérieur d'un trou noir. Les modèles mathématiques sont également utilisés dans les sciences du cerveau, mais leurs prédictions ne sont pas prises aussi au sérieux qu’en physique. La raison en est qu’en physique, les prédictions des théories mathématiques sont testées quantitativement et non seulement qualitativement.
De tels tests expérimentaux quantitativement précis des théories mathématiques sont généralement considérés comme irréalisables en biologie, car le cerveau est beaucoup plus complexe que le monde physique. Les théories mathématiques en physique sont très simples, impliquant très peu de paramètres libres et donc des tests expérimentaux précis. En revanche, le cerveau possède des milliards de neurones et des milliards de connexions, un cauchemar mathématique, sans parler d’un microscope très précis.
Simplifier les systèmes complexes
« Pour relever ce défi apparemment impossible consistant à concevoir une théorie simple qui puisse encore expliquer les données expérimentales de dynamique de la mémoire in vivo avec une grande précision, nous avons émis l'hypothèse que le dialogue cortico-entorhinal et la magie de la mémoire se produiraient même lorsque les sujets dormaient », ou anesthésié », a déclaré le Dr Krishna Choudhary, l'auteur principal de l'étude. « Tout comme une voiture se comporte comme une voiture lorsqu'elle tourne au ralenti ou roule à 70 mph. »
Les chercheurs de l’UCLA ont ensuite émis une autre hypothèse importante : la dynamique de l’ensemble du cortex et du cortex entorhinal pendant le sommeil ou l’anesthésie peut être capturée par seulement deux neurones. Ces hypothèses ont réduit le problème des interactions de milliards de neurones à seulement deux variables libres : la force de l'entrée du néocortex vers le cortex entorhinal et la force des connexions récurrentes au sein du cortex entorhinal. Même si cela rend le problème mathématiquement résoluble, cela soulève la question évidente : est-ce vrai ?
« Si nous testons quantitativement notre théorie sur des données in vivo, alors ce ne sont que des jeux mathématiques intéressants, et non une solide compréhension de la magie génératrice de mémoire », a déclaré Mehta.
Les tests expérimentaux cruciaux de cette théorie ont nécessité des expériences sophistiquées de la part du Dr Thomas Hahn, co-auteur aujourd'hui professeur à l'Université de Bâle et psychologue clinicien.
« Le cortex entorhinal est un circuit compliqué. Pour réellement tester la théorie, nous avions besoin de techniques expérimentales capables non seulement de mesurer l'activité neuronale avec une grande précision, mais également de déterminer l'identité anatomique précise du neurone », a déclaré Hahn.
Hahn et le Dr Sven Berberich, également co-auteur, ont mesuré le potentiel membranaire des neurones identifiés du cortex entorhinal in vivo, en utilisant la technique du patch-clamp de cellules entières, puis ont utilisé des techniques anatomiques pour identifier le neurone. Simultanément, ils ont mesuré l'activité du cortex pariétal, une partie du néocortex qui envoie des informations au cortex entorhinal.
« Une théorie mathématique et des données in vivo sophistiquées sont nécessaires et intéressantes, mais nous avons dû relever un défi supplémentaire : comment appliquer cette théorie simple à des données neuronales complexes ? » dit Mehta.
« Cela a nécessité une longue période de développement pour générer un 'microscope mathématique' capable de révéler directement le fonctionnement interne des neurones à mesure qu'ils fabriquent la mémoire », a déclaré Choudhary. « À notre connaissance, cela n’a jamais été fait auparavant. »
Découverte de nouveaux états de mémoire
Les auteurs ont observé que, comme une vague océanique se formant puis s’écrasant sur un rivage, les signaux du néocortex oscillent entre des états activés et désactivés à intervalles réguliers pendant qu’une personne ou un animal dort. Pendant ce temps, le cortex entorhinal agissait comme un nageur dans l’eau qui peut monter lorsque la vague se forme, puis descendre lorsqu’elle recule. Les données l’ont montré et le modèle l’a également capturé. Mais en utilisant cette simple correspondance, le modèle a ensuite pris sa propre vie et a découvert un nouveau type d'état de mémoire connu sous le nom d'inactivité persistante spontanée, a déclaré Mehta.
« C'est comme si une vague arrivait et que le cortex entorhinal disait : « Il n'y a pas de vague ! Je vais me rappeler que récemment il n'y a pas eu de vague donc je vais ignorer cette vague actuelle et ne pas répondre du tout. Il s’agit d’une inactivité persistante », a déclaré Mehta. « Alternativement, une activité persistante se produit lorsque l'onde corticale disparaît, mais les neurones entorhinaux se souviennent qu'il y a eu une vague très récemment et continuent d'avancer. »
Alors que de nombreuses théories sur la mémoire de travail avaient montré la présence d’une activité persistante, ce que les auteurs ont découvert, l’inactivité persistante était quelque chose que le modèle avait prédit et n’avait jamais été observé auparavant.
« Ce qui est intéressant avec l'inactivité persistante, c'est qu'elle ne nécessite pratiquement aucune énergie, contrairement à l'activité persistante, qui demande beaucoup d'énergie », a déclaré Mehta. « Mieux encore, la combinaison de l'activité persistante et de l'inactivité fait plus que doubler la capacité de mémoire tout en réduisant la mémoire. le coût énergétique métabolique de moitié.
« Tout cela semblait trop beau pour être vrai, c'est pourquoi nous avons vraiment poussé notre microscope mathématique à l'extrême, dans un régime où il n'était pas conçu pour fonctionner », a déclaré le Dr Choudhary. « Si le microscope fonctionnait correctement, il continuerait à fonctionner parfaitement même dans des situations inhabituelles. »
« Le microscope mathématique a fait une douzaine de prédictions, non seulement sur l’entorhinal mais également sur de nombreuses autres régions du cerveau. À notre grande surprise, le microscope mathématique a fonctionné à chaque fois », a poursuivi Mehta. « Une telle adéquation presque parfaite entre les prédictions d’une théorie mathématique et les expériences est sans précédent en neurosciences.
« Ce modèle mathématique parfaitement adapté aux expériences est un nouveau microscope », a poursuivi Mehta. « Cela révèle quelque chose qu’aucun microscope existant ne pourrait voir sans lui. Peu importe le nombre de neurones que vous avez photographiés, cela n’aurait rien révélé de tout cela.
« En fait, les déficiences métaboliques sont une caractéristique commune à de nombreux troubles de la mémoire », a déclaré Mehta. Le laboratoire de Mehta poursuit actuellement ces travaux pour comprendre comment se forme une mémoire de travail complexe et ce qui ne va pas dans le cortex entorhinal au cours de la maladie d'Alzheimer, de la démence et d'autres troubles de la mémoire.
