Une activité cérébrale mystérieuse chez les souris qui regardent un film pourrait aider à lutter contre la maladie d’Alzheimer et à améliorer l’IA

Résumé: Le suivi des neurones de l’hippocampe chez des souris alors qu’elles regardaient un film a révélé de nouvelles façons d’améliorer l’intelligence artificielle et de suivre les troubles neurologiques associés aux déficits de mémoire et d’apprentissage.

Source: UCLA

Même le cinéaste légendaire Orson Welles n’aurait pas pu imaginer un tel retournement de situation.

En montrant le film de Welles “Touch of Evil” à des souris, Chinmay Purandare, PhD, et le professeur Mayank Mehta de l’UCLA ont découvert de nouvelles informations surprenantes et importantes sur la façon dont les neurones forment les souvenirs. La découverte indique de nouvelles façons de diagnostiquer la maladie d’Alzheimer et d’autres troubles de l’apprentissage et de la mémoire, tout en améliorant l’intelligence artificielle.

Des souris ont visionné un court extrait du classique du film noir de 1958 “Touch of Evil” alors que les scientifiques surveillaient leur activité cérébrale. Il s’agissait d’un clip de film muet en noir et blanc assez indescriptible montrant des humains se promenant.

La connaissance des manuels et la sagesse conventionnelle disent que les souris ne devraient pas s’intéresser à un tel film et que les neurones d’une partie de leur cerveau appelée l’hippocampe, qui est connue pour être cruciale pour l’apprentissage et la mémoire, ne devraient pas non plus.

Lorsque les scientifiques ont regardé à l’intérieur de cette partie du cerveau de la souris, ils ont découvert qu’elle agissait uniquement comme “le système GPS du cerveau” (comme décrit dans le prix Nobel de physiologie ou de médecine 2014), qui n’est pas lié à l’apprentissage général, par exemple une conversation. . C’était un obstacle majeur dans la recherche sur le diagnostic de la mémoire et sur les mécanismes des abstractions ou de l’IA.

Cependant, les chercheurs ont fait une découverte à succès : il y a eu des sursauts d’activité surprenants mais hautement systématiques dans l’hippocampe en réponse à ce film. Les scientifiques pourraient même reconstruire des segments de film spécifiques en utilisant ces rafales mystérieuses provenant d’une fraction seulement des neurones de l’hippocampe.

L’intrigue s’épaissit encore plus. Même les neurones d’autres parties du cerveau (le cortex visuel primaire ou le thalamus) dont on pense généralement qu’ils codent des caractéristiques simples comme les lignes verticales ou horizontales ont répondu beaucoup plus vigoureusement aux scènes spécifiques du film que les stimuli des manuels. En fait, chaque partie du cerveau qu’ils ont étudiée, du simple visuel aux circuits GPS, s’est allumée de manière robuste en réponse à des scènes de film spécifiques.

Mehta a déclaré que les résultats représentent un “changement de paradigme majeur” dans la façon dont les scientifiques peuvent étudier la capacité des souris à se souvenir d’une expérience ou d’un événement spécifique – ou ce qu’on appelle la mémoire épisodique. Mehta a déclaré que cela pourrait aider les scientifiques à résoudre un élément manquant dans la recherche sur les maladies de la mémoire comme la maladie d’Alzheimer.

“Bien que des dizaines de médicaments aient guéri la maladie d’Alzheimer chez la souris, aucun n’a fonctionné chez l’homme”, a déclaré Mehta. « L’une des raisons est que le test standard de l’apprentissage épisodique et de la mémoire est la navigation spatiale chez la souris. Cependant, les patients atteints de la maladie d’Alzheimer ont également de profonds déficits de la mémoire non spatiale – par exemple, une conversation ou un événement dont ils ont été témoins, qui n’est pas lié à la navigation GPS.

Les auteurs affirment que la concentration de la maladie d’Alzheimer et d’autres médicaments de la mémoire chez la souris en utilisant uniquement un test de mémoire spatiale ne permet pas de déterminer si les traitements ont amélioré la capacité des souris à se souvenir de la plupart des événements ou des expériences qui composent la mémoire épisodique.

«C’est un défi majeur de créer de tels événements pour les souris qui imiteraient étroitement les événements familiers aux humains. Par conséquent, nous nous sommes tournés vers les films », a déclaré le Dr Purandare, auteur principal de l’étude. “Selon tous les récits des manuels, les films humains ne devraient générer aucun motif interprétable dans l’hippocampe de la souris.”

Cependant, dans les études publiées dans Nature en 2021 et 2022, ces chercheurs de l’UCLA ont découvert que les neurones de l’hippocampe des souris répondaient à de simples stimuli visuels lorsque les souris exploraient la réalité virtuelle, ce qui induisait une neuroplasticité robuste. Par conséquent, ils ont émis l’hypothèse qu’il était possible de tester la mémoire épisodique chez les souris en leur montrant un film et en surveillant l’activité dans leur hippocampe.

Dans cette nouvelle étude, près de la moitié des neurones de l’hippocampe des rongeurs ont codé de petits segments spécifiques du film, ce qui signifie une réponse remarquable aux événements à l’écran. La banalité du clip silencieux en noir et blanc a rendu les résultats encore plus convaincants, a déclaré Mehta. En fait, les souris étaient également libres d’ignorer le film si elles le voulaient.

“Si l’hippocampe s’illumine avec ce clip banal, sans aucune demande de mémoire, alors nous pouvons conclure en toute sécurité que ce n’est pas dû à d’autres choses comme l’attente d’une récompense ou d’excitation”, a déclaré Mehta. “Nous avons été époustouflés par les réponses massives malgré l’absence de ces composants émotionnels.”

Mehta a déclaré que les données préliminaires indiquaient que rendre la scène plus riche en ajoutant des éléments intéressants pour les souris, comme des images d’autres animaux, des sons, etc. pourrait produire une réponse hippocampique plus forte, créant une réponse émotionnelle et des souvenirs épisodiques vibrants.

« Autre surprise majeure, les zones visuelles ne se souciaient pas de savoir si le film était joué dans une séquence ou dans un ordre brouillé. Mais les neurones de l’hippocampe ont fait quelque chose de très différent – ils n’ont pas du tout répondu au film brouillé », a déclaré Mehta. “Cela montre que les neurones de l’hippocampe extraient des informations épisodiques des informations visuelles entrantes qui sont agnostiques à l’épisode.”

Mehta a déclaré que les résultats sont également cruciaux pour améliorer l’IA. “L’hippocampe est au sommet d’un réseau neuronal profond, avec les yeux à l’avant, suivis du thalamus, des cortex visuels primaires et se terminant dans l’hippocampe.” Mais, étant donné la croyance dominante selon laquelle l’hippocampe de la souris est “le système GPS”, les expériences pourraient étudier soit le cortex visuel, soit l’hippocampe, mais pas les deux en même temps.

“Nos découvertes ouvrent la possibilité d’étudier toutes ces zones cérébrales simultanément et de déterminer comment le cerveau crée un épisode à partir d’une série d’images tombant sur la rétine”, a déclaré le Dr Purandare. “L’activation sélective et épisodique de l’hippocampe de souris à l’aide d’un film humain ouvre la possibilité de tester directement les troubles de la mémoire épisodique humaine et les thérapies à l’aide de neurones de souris, une avancée majeure.”

L’étude paraît dans la revue eVie. Il a été soutenu par un financement de l’Institut national de la santé mentale et de la recherche à l’Institut Allen. Les auteurs n’ont déclaré aucun intérêt concurrent.

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Le Dr Purandare est maintenant chercheur postdoctoral à l’UCSF. Mehta est professeur dans les départements de physique, de neurologie, de génie électrique et informatique, et directeur du Center for Physics of Life à UCLA.

À propos de cette actualité de la recherche sur l’IA et la maladie d’Alzheimer

Auteur: Jason Millman
Source: UCLA
Contact: Jason Millman – UCLA
Image: L’image est dans le domaine public

Recherche originale : Libre accès.
“Champs de cinéma à grande échelle dans le réseau visuo-hippocampique de la sourispar Mehta et al. eVie

Abstrait

Champs de cinéma à grande échelle dans le réseau visuo-hippocampique de la souris

Le comportement naturel implique souvent une série continue d’images liées, souvent alors que le sujet est immobile. Comment ces informations sont-elles traitées dans le circuit cortico-hippocampique ? L’hippocampe est crucial pour la mémoire épisodique, mais la plupart des études unitaires sur les rongeurs nécessitent une exploration spatiale ou un engagement actif.

Par conséquent, nous avons étudié les réponses neuronales à un film silencieux, isoluminant, noir et blanc chez des souris à tête fixe sans aucune tâche ou demande de locomotion, ni récompense. L’activité de la plupart des neurones (97 %, 6554/6785) dans les aires visuelles thalamo-corticales a été significativement modulée par le clip vidéo de 30 secondes. Étonnamment, un tiers (33%, 3379/10263) des neurones de l’hippocampe – gyrus denté, CA1 et subiculum – ont montré une sélectivité de film, avec un déclenchement élevé dans des sous-segments de film spécifiques, appelés champs de film.

En moyenne, une cellule avait plus de 5 champs cinématographiques dans les aires visuelles, mais seulement 2 dans les aires hippocampiques. Les durées de champ de film dans toutes les régions du cerveau couvraient une gamme sans précédent de 1000 fois : de 0,02 s à 20 s, appelée codage à grande échelle. Pourtant, la durée totale de tous les champs de film d’une cellule était comparable entre les neurones et les régions du cerveau, en partie en raison de champs de film plus larges dans les zones hippocampiques, indiquant un codage de séquence plus important.

La présentation constante des images de film dans une séquence brouillée a pratiquement aboli la sélectivité hippocampique mais pas visuo-corticale. L’amélioration du réglage séquentiel du film par rapport à la séquence brouillée était huit fois plus élevée dans l’hippocampe que dans les zones visuelles, ce qui renforce encore l’encodage de la séquence visuelle.

Ainsi, un film a été encodé dans toutes les zones du cerveau de souris étudiées. Des résultats similaires sont susceptibles de tenir chez les primates et les humains. Par conséquent, les films pourraient fournir un moyen unifié de sonder les mécanismes neuronaux du traitement de l’information non spatiale et de la mémoire dans les régions cérébrales et les espèces.