Des cellules cérébrales qui planifient où aller

Des chercheurs du Centre RIKEN pour les sciences du cerveau (CBS) au Japon ont découvert une région du cerveau qui code les endroits où un animal prévoit de se trouver dans un futur proche. Liée à des cartes internes de localisation spatiale et de déplacements passés, l’activité dans les cellules de la grille nouvellement découvertes prédit avec précision les emplacements futurs d’un animal dans son environnement.

Publié dans Science le 15 août, l’étude permet d’expliquer comment la navigation spatiale planifiée est possible.

Cela peut paraître facile, mais se déplacer dans le monde exige une activité cérébrale assez importante. Par exemple, le simple fait de se promener dans un supermarché pour faire ses courses nécessite d’avoir des cartes intériorisées du monde extérieur, des informations sur ses propres changements de position et de vitesse, ainsi que des souvenirs de l’endroit où l’on est allé et de ce que l’on essaie d’acheter.

Une grande partie de ce type d’informations est contenue dans des cellules situées dans deux parties connectées du cerveau, l’hippocampe et le cortex entorhinal médian, ou CEM, qui sont extrêmement similaires chez tous les mammifères, du rat à l’homme. Le CEM contient notamment des cartes de la position actuelle d’un animal dans l’espace, une découverte qui a valu à l’animal le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 2014.

La nouvelle étude se concentre sur le MEC, mais pas sur les informations stockées nécessaires à la navigation spatiale ou à la localisation actuelle d’un animal. Au lieu de cela, les expériences menées par Shigeyoshi Fujisawa et Ayako Ouchi du RIKEN CBS se concentrent sur la façon dont cette région du cerveau crée des cartes des positions futures, qui sont continuellement mises à jour au fur et à mesure que les animaux se déplacent.

Pendant que les rats parcouraient un champ carré ouvert à la recherche d’eau disponible en libre accès et la déplaçaient vers différents endroits, les chercheurs ont enregistré tous les mouvements, qui comprenaient des centaines de trajectoires. En même temps, ils ont enregistré l’activité des cellules cérébrales individuelles dans le MEC.

Ils ont ensuite vérifié dans quelle mesure l’activité cérébrale au fil du temps correspondait aux changements de position des rats.

Ils ont découvert que l’activité de certaines cellules cérébrales du MEC créait une grille interne qui cartographiait les positions futures dans le champ. Par exemple, une cellule MEC pourrait coder un certain emplacement dans le champ, mais seulement lorsqu’un rat atteignait un endroit situé 30 à 40 cm plus tôt sur un itinéraire qui traversait finalement cet emplacement, quelle que soit la direction d’où venait le rat.

C’est très différent des cellules en grille qui ont permis au prix Nobel de remporter le prix Nobel et qui ne s’activent que lorsqu’un animal se trouve à un endroit précis. Les auteurs ont appelé les neurones nouvellement découverts des « cellules en grille prédictives » et ont mené plusieurs expériences de suivi pour avoir une meilleure idée de ce qu’ils codent exactement.

Tout d’abord, ils ont testé si les cellules de grille nouvellement découvertes prédisaient l’emplacement futur en termes de distance ou de temps par rapport au présent. Ils ont découvert que les deux étaient codées, bien que le « quadrillage » des cellules soit plus élevé lorsque l’on prend en compte la distance.

Ils ont également constaté que les positions futures étaient fidèlement codées dans différentes situations, que les rats essayaient d’atteindre des cibles spécifiques ou qu’ils cherchaient de la nourriture au hasard. Cela signifie que la fonction des cellules de grille prédictives ne se limite pas au comportement orienté vers un objectif.

« Cette étude apporte des informations importantes sur les mécanismes de navigation spatiale et de formation de la mémoire épisodique dans les circuits corticaux hippocampiques et entorhinaux », explique Fujisawa. « À l’avenir, nous aimerions clarifier le mécanisme par lequel ces cellules de grille prédictives sont organisées. »