Les réseaux cérébraux encodant la mémoire se réunissent via des champs électriques, selon une étude | Nouvelles du MIT

La métaphore du « circuit » du cerveau est aussi indiscutable que familière : les neurones forgent des connexions physiques directes pour créer des réseaux fonctionnels, par exemple pour stocker des souvenirs ou produire des pensées. Mais la métaphore est également incomplète. Qu’est-ce qui pousse ces circuits et réseaux à se rejoindre ? De nouvelles preuves suggèrent qu’au moins une partie de cette coordination provient des champs électriques.

Un nouveau libre accès étudier en Cortex cérébral montre que lorsque les animaux jouaient à des jeux de mémoire de travail, les informations sur ce dont ils se souvenaient étaient coordonnées dans deux régions cérébrales clés par le champ électrique qui émergeait de l’activité électrique sous-jacente de tous les neurones participants. Le champ, à son tour, semblait conduire l’activité neuronale, ou les fluctuations de tension apparentes à travers les membranes des cellules.

Si les neurones sont des musiciens dans un orchestre, les régions du cerveau sont leurs sections et la mémoire est la musique qu’ils produisent, disent les auteurs de l’étude, alors le champ électrique est le conducteur.

Le mécanisme physique par lequel ce champ électrique dominant influence la tension membranaire des neurones constitutifs est appelé “couplage éphaptique”. Ces tensions membranaires sont fondamentales pour l’activité cérébrale. Lorsqu’ils franchissent un seuil, les neurones « piquent », envoyant une transmission électrique qui signale d’autres neurones à travers des connexions appelées synapses. Mais n’importe quelle quantité d’activité électrique pourrait contribuer à un champ électrique dominant qui influence également le pic, selon l’auteur principal de l’étude Earl K. MillerProfesseur Picower au Département des sciences cérébrales et cognitives du MIT.

“De nombreux neurones corticaux passent beaucoup de temps à hésiter sur le point de monter en puissance”, explique Miller. “Les changements dans leur champ électrique environnant peuvent les pousser dans un sens ou dans l’autre. Il est difficile d’imaginer que l’évolution n’exploite pas cela.

En particulier, la nouvelle étude a montré que les champs électriques conduisaient l’activité électrique des réseaux de neurones à produire une représentation partagée des informations stockées dans la mémoire de travail, explique l’auteur principal Dimitris Pinotsis, professeur agrégé à City, Université de Londres et chercheur affilié à l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire. Il a noté que les résultats pourraient améliorer la capacité des scientifiques et des ingénieurs à lire les informations du cerveau, ce qui pourrait aider à la conception de prothèses contrôlées par le cerveau pour les personnes atteintes de paralysie.

“En utilisant la théorie des systèmes complexes et des calculs mathématiques à la plume, nous avons prédit que les champs électriques du cerveau guident les neurones pour produire des souvenirs”, explique Pinotsis. « Nos données expérimentales et nos analyses statistiques appuient cette prédiction. Ceci est un exemple de la façon dont les mathématiques et la physique éclairent les champs du cerveau et comment elles peuvent fournir des informations pour la construction de dispositifs d’interface cerveau-ordinateur (BCI).

Les champs prévalent

Dans un 2022 étude, Miller et Pinotsis ont développé un modèle biophysique des champs électriques produits par l’activité électrique neuronale. Ils ont montré que les champs globaux qui émergeaient de groupes de neurones dans une région du cerveau étaient des représentations plus fiables et stables des informations que les animaux utilisaient pour jouer à des jeux de mémoire de travail que l’activité électrique des neurones individuels. Les neurones sont des dispositifs quelque peu capricieux dont les caprices produisent une incohérence de l’information appelée « dérive représentationnelle ». Dans un article d’opinion plus tôt cette année, les scientifiques ont également postulé qu’en plus des neurones, les champs électriques affectaient l’infrastructure moléculaire du cerveau et son réglage afin que le cerveau traite efficacement les informations.

Dans la nouvelle étude, Pinotsis et Miller ont étendu leur enquête à la question de savoir si le couplage éphaptique étend le champ électrique gouvernant à travers plusieurs régions du cerveau pour former un réseau de mémoire, ou « engramme ».

Ils ont donc élargi leurs analyses pour s’intéresser à deux régions du cerveau : les champs oculaires frontaux (FEF) et les champs oculaires supplémentaires (SEF). Ces deux régions, qui régissent le mouvement volontaire des yeux, étaient pertinentes pour le jeu de mémoire de travail auquel les animaux jouaient car à chaque tour, les animaux voyaient une image sur un écran positionné à un certain angle autour du centre (comme les chiffres sur une horloge). Après un bref délai, ils ont dû regarder dans la même direction que celle dans laquelle l’objet venait de se trouver.

Pendant que les animaux jouaient, les scientifiques ont enregistré les potentiels de champ locaux (LFP, une mesure de l’activité électrique locale) produits par des dizaines de neurones dans chaque région. Les scientifiques ont introduit ces données LFP enregistrées dans des modèles mathématiques qui prédisaient l’activité neuronale individuelle et les champs électriques globaux.

Les modèles ont permis à Pinotsis et Miller de calculer ensuite si des changements dans les champs prédisaient des changements dans les tensions de membrane, ou si des changements dans cette activité prédisaient des changements dans les champs. Pour faire cette analyse, ils ont utilisé une méthode mathématique appelée causalité de Granger. Sans ambiguïté, cette analyse a montré que dans chaque région, les champs avaient une forte influence causale sur l’activité neuronale et non l’inverse. Conformément à l’étude de l’année dernière, l’analyse a également montré que les mesures de la force d’influence restaient beaucoup plus stables pour les champs que pour l’activité neuronale, indiquant que les champs étaient plus fiables.

Les chercheurs ont ensuite vérifié la causalité entre les deux régions du cerveau et ont découvert que les champs électriques, mais pas l’activité neuronale, représentaient de manière fiable le transfert d’informations entre FEF et SEF. Plus précisément, ils ont constaté que le transfert passait généralement de FEF à SEF, ce qui concorde avec les études antérieures sur la manière dont les deux régions interagissent. FEF a tendance à montrer la voie en initiant un mouvement oculaire.

Enfin, Pinotsis et Miller ont utilisé une autre technique mathématique appelée analyse de similarité de représentation pour déterminer si les deux régions traitaient en fait la même mémoire. Ils ont découvert que les champs électriques, mais pas les LFP ou l’activité neuronale, représentaient les mêmes informations dans les deux régions, les unifiant dans un réseau de mémoire engramme.

Autres implications cliniques

Considérant la preuve que les champs électriques émergent de l’activité électrique neuronale mais viennent ensuite conduire l’activité neuronale pour représenter l’information, Miller a émis l’hypothèse que peut-être une fonction de l’activité électrique dans les neurones individuels est de produire les champs qui les gouvernent ensuite.

« C’est une rue à double sens », dit Miller. « Les pointes et les synapses sont très importantes. C’est la base. Mais ensuite, les champs se retournent et influencent le dopage.

Cela pourrait avoir des implications importantes pour les traitements de santé mentale, dit-il, car si et quand les pics de neurones influencent la force de leurs connexions, et donc la fonction des circuits qu’ils forment, un phénomène appelé plasticité synaptique.

Les technologies cliniques telles que la stimulation électrique transcrânienne (TES) modifient les champs électriques du cerveau, note Miller. Si les champs électriques non seulement reflètent l’activité neuronale mais la façonnent activement, alors les technologies TES pourraient être utilisées pour modifier les circuits. Des manipulations de champ électrique correctement conçues, dit-il, pourraient un jour aider les patients à recâbler des circuits défectueux.

Le financement de l’étude est venu de UK Research and Innovation, du US Office of Naval Research, de la JPB Foundation et du Picower Institute.