Tous les dispositifs de stockage de mémoire, de votre cerveau à la mémoire vive de votre ordinateur, stockent des informations en modifiant leurs qualités physiques. Il y a plus de 130 ans, le pionnier des neurosciences Santiago Ramón y Cajal a suggéré pour la première fois que le cerveau stocke des informations en réorganisant les connexions, ou synapses, entre les neurones.
Depuis lors, les neuroscientifiques ont tenté de comprendre les changements physiques associés à la formation de la mémoire. Mais visualiser et cartographier les synapses est un défi. Tout d’abord, les synapses sont très petites et très serrées les unes contre les autres. Elles sont environ 10 milliards de fois plus petites que le plus petit objet qu’une IRM clinique standard peut visualiser. En outre, il y a environ un milliard de synapses dans le cerveau des souris que les chercheurs utilisent souvent pour étudier le fonctionnement du cerveau, et elles sont toutes de la même couleur opaque à translucide que le tissu qui les entoure.
Une nouvelle technique d’imagerie développée par mes collègues et moi-même nous a cependant permis de cartographier les synapses pendant la formation de la mémoire. Nous avons découvert que le processus de formation de nouveaux souvenirs modifie la façon dont les cellules du cerveau sont connectées les unes aux autres. Alors que certaines zones du cerveau créent davantage de connexions, d’autres les perdent.
Cartographie des nouveaux souvenirs chez le poisson
Auparavant, les chercheurs se concentraient sur l’enregistrement des signaux électriques produits par les neurones. Bien que ces études aient confirmé que les neurones modifient leur réponse à des stimuli particuliers après la formation d’un souvenir, ils n’ont pas pu déterminer avec précision ce qui entraîne ces changements.
Pour étudier comment le cerveau change physiquement lorsqu’il forme un nouveau souvenir, nous avons créé des cartes en 3D des synapses du poisson zèbre avant et après la formation du souvenir. Nous avons choisi le poisson-zèbre comme sujet d’expérience parce qu’il est suffisamment grand pour avoir un cerveau qui fonctionne comme celui des humains, mais suffisamment petit et transparent pour offrir une fenêtre sur le cerveau vivant.
Le poisson zèbre est un modèle particulièrement adapté à la recherche en neurosciences. Zhuowei Du et Don B. Arnold., CC BY-NC-ND
Pour induire une nouvelle mémoire chez le poisson, nous avons utilisé un type de processus d’apprentissage appelé conditionnement classique. Il s’agit d’exposer un animal à deux types de stimuli différents simultanément : un stimulus neutre qui ne provoque pas de réaction et un stimulus désagréable que l’animal tente d’éviter. Lorsque ces deux stimuli sont associés suffisamment de fois, l’animal réagit au stimulus neutre comme s’il s’agissait du stimulus désagréable, ce qui indique qu’il a créé une mémoire associative liant ces stimuli entre eux.
Comme stimulus désagréable, nous avons chauffé doucement la tête du poisson avec un laser infrarouge. Lorsque le poisson a remué sa queue, nous avons considéré que cela indiquait qu’il voulait s’échapper. Lorsque le poisson est ensuite exposé à un stimulus neutre, une lumière qui s’allume, le battement de queue signifie qu’il se souvient de ce qui s’est passé lorsqu’il a rencontré le stimulus désagréable.
Le chien de Pavlov est l’exemple le plus connu de conditionnement classique, dans lequel un chien salive en réponse à une sonnerie parce qu’il a formé une mémoire associative entre la sonnerie et la nourriture. Lili Chin/Flickr, CC BY-NC-ND
Pour créer les cartes, nous avons génétiquement modifié des poissons zèbres avec des neurones qui produisent des protéines fluorescentes qui se lient aux synapses et les rendent visibles. Nous avons ensuite créé des images des synapses à l’aide d’un microscope personnalisé qui utilise une dose de lumière laser beaucoup plus faible que les appareils standard qui utilisent également la fluorescence pour générer des images. Comme notre microscope a moins endommagé les neurones, nous avons pu visualiser les synapses sans perdre leur structure et leur fonction.
Cette image montre des neurones dans un cerveau de poisson vivant, avec les synapses colorées en vert. Zhuowei Du et Don B. Arnold, CC BY-NC-ND
Lorsque nous avons comparé les cartes de synapses 3D avant et après la formation de la mémoire, nous avons constaté que les neurones d’une région du cerveau, le pallium dorsal antérolatéral, développaient de nouvelles synapses, tandis que les neurones prédominant dans une deuxième région, le pallium dorsal antéromédial, perdaient des synapses. Cela signifie que de nouveaux neurones s’appariaient entre eux, tandis que d’autres détruisaient leurs connexions. Des expériences précédentes ont suggéré que le pallium dorsal des poissons pourrait être analogue à l’amygdale des mammifères, où sont stockés les souvenirs de peur.
Étonnamment, les changements dans la force des connexions existantes entre les neurones qui se sont produits avec la formation de la mémoire étaient faibles et indiscernables des changements chez les poissons témoins qui n’ont pas formé de nouveaux souvenirs.Cela signifie que la formation d’une mémoire associative implique la formation et la perte de synapses, mais pas nécessairement des changements dans la force des synapses existantes, comme on le pensait auparavant.
Des chercheurs du Howard Hughes Medical Institute ont filmé les neurones d’un bébé poisson-zèbre en train de voir des objets et d’essayer de bouger.
La suppression des synapses pourrait-elle supprimer les souvenirs ?
Notre nouvelle méthode d’observation du fonctionnement des cellules cérébrales pourrait ouvrir la voie non seulement à une meilleure compréhension du fonctionnement de la mémoire, mais aussi à des possibilités de traitement de troubles neuropsychiatriques tels que le syndrome de stress post-traumatique et la dépendance.
Les souvenirs associatifs ont tendance à être beaucoup plus forts que d’autres types de souvenirs, comme les souvenirs conscients de ce que vous avez mangé hier midi. De plus, on pense que les souvenirs associatifs induits par le conditionnement classique sont analogues aux souvenirs traumatiques qui causent le SSPT. Des stimuli autrement inoffensifs, similaires à ce qu’une personne a vécu au moment du traumatisme, peuvent déclencher le rappel de souvenirs douloureux. Par exemple, une lumière vive ou un bruit fort peuvent rappeler des souvenirs de combat. Notre étude révèle le rôle que les connexions synaptiques peuvent jouer dans la mémoire, et pourrait expliquer pourquoi les souvenirs associatifs peuvent durer plus longtemps et être rappelés plus vivement que d’autres types de souvenirs.
Actuellement, le traitement le plus courant du TSPT, la thérapie d’exposition, consiste à exposer de manière répétée le patient à un stimulus inoffensif mais déclencheur afin de supprimer le souvenir de l’événement traumatique. En théorie, cela remodèle indirectement les synapses du cerveau pour rendre le souvenir moins douloureux. Bien que la thérapie d’exposition ait connu un certain succès, les patients sont enclins à rechuter. Cela suggère que le souvenir sous-jacent à l’origine de la réponse traumatique n’a pas été éliminé.
Conceptuellement liée au conditionnement classique, la thérapie d’exposition prolongée est un moyen de traiter le TSPT.
On ne sait toujours pas si la génération et la perte de synapses conduisent réellement à la formation de la mémoire. Mon laboratoire a mis au point une technologie qui permet de supprimer rapidement et précisément les synapses sans endommager les neurones. Nous prévoyons d’utiliser des méthodes similaires pour supprimer des synapses chez le poisson zèbre ou la souris afin de voir si cela modifie les mémoires associatives.
Il pourrait être possible, grâce à ces méthodes, d’effacer physiquement les mémoires associatives qui sous-tendent des états dévastateurs comme le SSPT et la dépendance. Cependant, avant même d’envisager un tel traitement, il faut définir plus précisément les modifications synaptiques qui codent les souvenirs associatifs. Et il y a évidemment de sérieux obstacles éthiques et techniques à surmonter. Néanmoins, il est tentant d’imaginer un avenir lointain dans lequel la chirurgie synaptique pourrait éliminer les mauvais souvenirs.
Don Arnold, professeur de sciences biologiques et de génie biomédical, Collège Dornsife des lettres, des arts et des sciences de l’USC.
