Étudier la manière dont le cerveau des mammifères représente de multiples expériences séquentielles pendant le sommeil

Le sommeil est l’un des phénomènes les plus fascinants observés chez les humains et les animaux. On sait qu’il est caractérisé par différents cycles et types d’activité cérébrale. Des études antérieures en neurosciences ont montré que pendant le sommeil, des groupes de neurones dans l’hippocampe rejouent des expériences passées et anticipent des expériences futures potentielles.

Des chercheurs de la faculté de médecine de Yale ont récemment mené une étude visant à déterminer comment ces ensembles neuronaux dans l’hippocampe représentent plusieurs expériences séquentielles, ou en d’autres termes, des expériences ou des événements qui se produisent dans un ordre spécifique.

Leur article, publié dans Neurosciences de la natureidentifie certains des processus qui permettent au cerveau de traiter de nombreuses expériences pendant le sommeil, créant de nouvelles représentations mentales qui sont souvent basées sur des connaissances antérieures.

L’objectif principal des travaux de cette équipe de Yale était de comprendre comment le cerveau des mammifères organise plusieurs expériences sans interférence (c’est-à-dire en encodant de nouveaux souvenirs sans perturber les plus anciens). Les chercheurs ont également cherché à explorer la capacité du cerveau à former des souvenirs de multiples expériences survenues au cours de la journée et comment il génère de nouvelles représentations pendant le sommeil.

« Vous pouvez imaginer cette expérience comme une analogie de ce que les humains vivraient lorsqu’ils passeraient une longue journée à explorer 15 avenues dans une nouvelle ville au cours de la journée, avec plusieurs périodes de repos de 1 à 2 heures entre les deux », a déclaré George Dragoi, co-auteur de l’étude, à MedicalXpress.

« Dans ce scénario, de quoi les gens se souviennent-ils à la fin de la journée, comment ce qui s’est passé sur chaque avenue est-il séparé de ce qui s’est passé sur les autres sans interférence majeure, et comment l’expérience globale de la journée est-elle organisée au niveau de la résolution de la journée entière, en plus de l’expérience détaillée sur chaque avenue (par exemple, l’ordre dans lequel les avenues ont été visitées) ? »

Pour étudier les processus neuronaux impliqués dans la répétition et la pré-répétition d’expériences séquentielles pendant le sommeil, Dragoi et ses collègues ont mené une série d’expériences impliquant des rats en mouvement libre. Ces derniers ont été placés sur 15 pistes linéaires et ont été autorisés à explorer librement ces pistes.

L’équipe a enregistré l’activité d’ensembles neuronaux dans l’hippocampe des animaux tout au long de leur exploration des pistes. Elle a également enregistré l’activité de ces neurones pendant le sommeil, lors de séances avant, pendant et après l’exploration des pistes.

« Nous avons enregistré cette activité à une résolution de l’ordre de la milliseconde à partir de 128 canaux d’enregistrement », a expliqué Dragoi.

« Cette résolution temporelle est essentielle pour identifier les représentations hors ligne hautement compressées dans le temps pendant le sommeil et en particulier la dynamique fine des représentations scintillantes multiplexées de deux ou plusieurs expériences au sein du même événement.

« Je pense également que l’exploration physique des pistes linéaires (par opposition aux environnements de réalité virtuelle, qui sont actuellement utilisés dans de nombreux laboratoires) offre une opportunité unique aux animaux de s’engager dans des expériences contextuelles multisensorielles vraiment distinctes. »

Les expériences menées par Dragoi et ses collègues ont permis de recueillir des observations intéressantes. Par exemple, l’équipe a constaté que les expériences les plus anciennes et les plus récentes des rats au cours de l’exploration étaient plus fréquemment représentées dans l’hippocampe.

Tandis que les rats endormis rejouaient des expériences passées ou prévoyaient de rejouer des expériences futures, différentes expériences étaient co-représentées selon des modèles spécifiques, ce qui augmentait la capacité de représentation de leur cerveau. De plus, les paires de pistes explorées proches les unes des autres semblaient connectées, produisant des représentations continues.

Enfin, la séquence globale dans laquelle les rats avaient exploré les pistes au cours de la journée semblait être rejouée dans le cerveau pendant le sommeil à des ratios hypercompressés.

« Nos résultats révèlent la grande capacité du cerveau à traiter de nombreuses expériences sans interférence majeure, notamment par le multiplexage rapide de deux ou plusieurs représentations parallèles », a déclaré Dragoi. « En outre, ils exposent les principes selon lesquels les représentations d’expériences multiples peuvent se combiner de manière générative et multiplexée pour aboutir à des représentations apparemment nouvelles basées sur des connaissances antérieures. »

L’étude récente de Dragoi et de ses collègues contribue grandement à la compréhension de la manière dont le cerveau du rat rejoue les expériences séquentielles passées et les utilise pour créer des représentations d’expériences futures pendant le sommeil. À l’avenir, les découvertes de ces chercheurs pourraient ouvrir la voie à d’autres recherches visant à étudier plus en détail la lecture des processus qu’ils ont découverts.

« Une découverte des plus surprenantes et intrigantes pour nous a été la représentation hyper-compressée de multiples expériences réparties sur toute une journée d’un animal, dans l’ordre dans lequel elles se sont produites dans des flashs inférieurs à la seconde de réactivation séquentielle d’ordre supérieur, un index des expériences de cette journée », a ajouté Dragoi.

« Nous aimerions maintenant mieux comprendre la lecture des calculs hippocampiques par les zones en aval, ou en d’autres termes, comment la parallélisation d’une part et la liaison d’autre part de multiples traitements d’informations dans l’hippocampe impactent les zones en aval fonctionnellement connectées. »

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