Une étude met en évidence le rôle du cervelet dans l'apprentissage et le mouvement grâce aux « neurones zombies », révélant comment ces neurones fonctionnellement altérés mais vivants sont vitaux pour les signaux d'apprentissage associatifs.
Niché à l'arrière de votre tête, le cervelet est une structure cérébrale qui joue un rôle central dans la façon dont nous apprenons, en adaptant nos actions en fonction des expériences passées.
Pourtant, les modalités précises de cet apprentissage restent encore à définir. Une étude menée par une équipe de la Fondation Champalimaud apporte une nouvelle clarté à ce débat, avec la découverte fortuite de soi-disant « neurones zombies ». Ces neurones, vivants mais fonctionnellement modifiés, ont contribué à faire progresser notre compréhension des signaux d'enseignement critiques du cervelet.
Le mot « cervelet » signifie « petit cerveau », même s'il contient plus de la moitié des neurones du cerveau. Il est essentiel pour coordonner les mouvements et l'équilibre, vous aidant à effectuer les tâches quotidiennes en douceur, comme marcher dans une rue bondée ou faire du sport.
C’est également crucial pour le processus d’apprentissage qui permet d’associer des signaux sensoriels à des actions spécifiques. Chaque fois que vous prenez une tasse sans renverser son contenu, en ajustant sans effort la force que vous appliquez en fonction du poids du récipient et de son remplissage, vous ressentez les conséquences de la capacité du cervelet à relier les signaux visuels au mouvement correspondant. réponses.
Les « signaux pédagogiques » du cerveau
Pour que l'apprentissage ait lieu, le cervelet surveille en permanence le monde extérieur et le résultat des mouvements que nous effectuons en son sein. Lorsque nous commettons une erreur, les informations sur nos erreurs peuvent être utilisées pour ajuster la force des connexions cérébrales, entraînant au fil du temps des changements dans nos réponses comportementales à des signaux spécifiques.
Cependant, on ne sait pas exactement comment ces « erreurs » ou ces « signaux d’enseignement » sont représentés dans le cerveau pour conduire aux changements de comportement appris. Les dernières recherches du Carey Lab de la Fondation Champalimaud, publiées dans Neurosciences naturellesfournit des preuves irréfutables que l'activité d'une classe spécifique d'intrants cérébelleux, appelés fibres grimpantes, est absolument essentielle à l'apprentissage associatif.
Pour examiner le rôle des fibres grimpantes et de leurs cibles, les cellules cérébelleuses de Purkinje, dans l'apprentissage, les chercheurs ont conçu une expérience impliquant des souris. Ils ont utilisé une tâche d’apprentissage courante connue sous le nom de conditionnement du clignement des yeux. Dans cette tâche, une souris apprend à cligner des yeux en réponse à un certain signal, tel qu'une lumière, qui précède un événement, généralement une légère bouffée d'air dirigée vers son œil. Les animaux font ensuite preuve d’un apprentissage associatif, apprenant à lier un signal sensoriel à une réponse de mouvement adaptative, dans ce cas, le clignement des yeux.
Des fibres grimpantes, sous forme de lierre, s'enroulent autour des branches d'un arbre en forme de cellule de Purkinje, dans la cour animée d'une école peuplée de souris. L’illustration capture le rôle essentiel des fibres grimpantes en tant que signaux pédagogiques pour l’apprentissage cérébelleux associatif. Crédit : Rita Félix
« Dans notre expérience, explique le Dr Tatiana Silva, première auteure de l'étude, nous avons utilisé une technique appelée optogénétique. Cette méthode fonctionne comme une télécommande très précise pour les cellules du cerveau, utilisant la lumière pour allumer ou éteindre certaines cellules d’intérêt à des moments extrêmement précis. Silva poursuit : « Les fibres grimpantes répondent normalement aux stimuli sensoriels comme une bouffée d’air dans l’œil. En activant précisément ces fibres grâce à l’optogénétique, nous avons pu faire croire à la souris qu’elle avait reçu une bouffée d’air, alors qu’en réalité ce n’était pas le cas. Après avoir constamment stimulé les fibres grimpantes lors de la présentation d’un signal visuel, les souris ont appris à cligner des yeux en réponse à ce signal, même en l’absence de stimulation. Cela a prouvé que ces fibres sont suffisant pour piloter ce type d’apprentissage associatif.
Les auteurs ont en outre pu montrer que les fibres grimpantes sont également nécessaire pour l’apprentissage associatif. « Lorsque nous avons utilisé l'optogénétique pour faire taire sélectivement les fibres grimpantes lors de la présentation d'une véritable bouffée d'air », révèle Silva, « les souris n'ont absolument pas réussi à apprendre à cligner des yeux en réponse au signal visuel. » L'équipe de Carey a manipulé de la même manière un certain nombre d'autres types de cellules cérébrales dans le cervelet, mais a constaté qu'aucune d'entre elles n'était capable de fournir des signaux pédagogiques aussi fiables pour l'apprentissage.
L’émergence des « neurones zombies »
En examinant de plus près certaines de leurs données, les chercheurs ont découvert une tournure inattendue. Afin de manipuler l’activité des fibres grimpantes à l’aide de l’optogénétique, ils ont utilisé des outils génétiques pour exprimer une protéine sensible à la lumière appelée Channelrhodopsin-2 (ChR2) dans ces neurones. Étonnamment, ils ont découvert que lorsqu’ils essayaient d’enseigner aux souris exprimant ChR2 en utilisant la méthode traditionnelle de soufflage d’air, les animaux ne parvenaient absolument pas à apprendre. Comme l'explique Carey, après des enregistrements systématiques de l'activité neuronale du cervelet de ces souris, « il s'est avéré que l'introduction de ChR2 dans les fibres grimpantes modifiait leurs propriétés naturelles, les empêchant de répondre de manière appropriée aux stimuli sensoriels standards comme les bouffées d'air. Ceci, à son tour, bloquait complètement la capacité d'apprentissage des animaux.
« Ce qui est remarquable », explique Silva, « c'est que ces mêmes souris ont parfaitement appris lorsque nous avons associé la stimulation des fibres grimpantes, au lieu d'une bouffée d'air, à un signal visuel. » Involontairement, l’équipe avait atteint un objectif de longue date en neurosciences : moduler des modèles d’activité spécifiques au sein de neurones spécifiques sans arrêter complètement leur communication, ce qui aboutissait à une intervention plus naturelle pour élucider leur rôle causal. En d’autres termes, même si les fibres grimpantes restaient spontanément actives et étaient clairement par ailleurs fonctionnelles, leur codage altéré des stimuli sensoriels laissait les animaux totalement incapables d’apprendre la tâche. Cela a conduit Silva à les surnommer « neurones zombies » : fonctionnellement vivants mais n’interagissant pas avec le circuit cérébral comme d’habitude.
En raison de la subtilité des effets inattendus de l’expression de ChR2 dans les fibres grimpantes, le Dr Megan Carey déclare : « Ces résultats constituent à ce jour la preuve la plus convaincante que les signaux des fibres grimpantes sont essentiels à l’apprentissage associatif cérébelleux. Nos prochaines étapes consistent à comprendre pourquoi l'expression de ChR2 conduit à la « zombification » des neurones et à déterminer si nos découvertes s'étendent à d'autres formes d'apprentissage cérébelleux ». Il semblerait que même les morts-vivants ont quelque chose à nous apprendre sur le monde des vivants.
