Mois : janvier 2014

La découverte de la structure de l’ADN a révolutionné la biologie, en permettant de comprendre comment l’information contenue dans les gènes contrôle le fonctionnement de la cellule (constituant toute partie d’un être vivant). Toutes les cellules d’un organisme possèdent fondamentalement le même patrimoine génétique. Les gènes, contenus dans notre ADN qui est contenu dans le noyau de nos cellules, contrôlent la capacité des cellules à se répliquer mais aussi leurs rôles fonctionnels dans le corps, ceci affectant le comportement.

Le cerveau est un organe à part, radicalement différent du reste du corps. Même si toutes les cellules comportent des caractéristiques communes (unité spatiale composée d’un noyau et entourée d’une membrane qui permet des échanges avec l’extérieur), les neurones (ou cellules nerveuses) sont les cellules constitutives du cerveau qui ont la particularité d’être des entités exceptionnelles, permettant le traitement de l’information.

 « Le siècle qui se termine s’est beaucoup occupé d’acides nucléides et de protéines. Le suivant va se concentrer sur les souvenirs et les désirs. Saura-t-il résoudre de telles questions ? »
François Jacob, La souris, la mouche et l’Homme (1998)

Certains désordres génétiques peuvent provoquer des maladies mentales ou neurologiques (comme la maladie d’Alzheimer, par exemple), sans qu’on ne sache réellement quels mécanismes en sont la cause.

La mémoire définie la faculté de stocker l’information, de se souvenir des événements du quotidien, des plus banales jusqu’aux concepts abstraits et complexes acquis par l’apprentissage. Le point commun entre ces éléments, de l’implication de l’apprentissage ou de la reconstruction d’une expérience passé, est qu’ils sont essentiels à l’édification de notre identité profonde. Il s’agit là d’une des propriétés les plus mystérieuses du cerveau humain. Comprendre l’esprit humain en termes biologiques est devenu le grand défi scientifique du XXI^e siècle et la mémoire fait toujours l’objet de recherches scientifiques intensives.

« Les apports les plus riches concernant l’esprit humain, sont venus non des disciplines traditionnellement concernées – la philosophie, la psychologie ou la psychanalyse – mais de la rencontre entre elles et la biologie du cerveau.

Cette nouvelle science est fondée sur cinq principes : Le cerveau et l’esprit sont indissociables. C’est un organe biologique et complexe d’une grande capacité calculatoire qui construit nos expériences sensorielles, régule nos pensées et nos émotions et contrôle nos actions. Il est responsable des comportements moteurs mais aussi des actes plus complexes considérés comme la quintessence de l’homme.

Chaque fonction mentale du cerveau s’effectue à travers des circuits nerveux spécialisés situés dans différentes zones du cerveau qui s’activent simultanément. Ces circuits sont constitués des mêmes unités de signalisation : les cellules nerveuses. Ces circuits nerveux ont recours à des molécules spécifiques pour engendrer les signaux. Ces molécules de signalisations ont été perpétuées – conservées à l’identique – durant les millions d’années qu’ont durées l’évolution.

Cette science nouvelle de l’esprit nous permet de comprendre que l’esprit humain a évolué par rapport à des molécules utilisées chez nos ancêtres et que l’extraordinaire perpétuation des mécanismes moléculaires qui régulent les divers processus vitaux s’applique également à notre vie mentale.  »
*A la recherche de la mémoire: une nouvelle théorie de l’esprit, Eric R. Kandel, Odile Jacob, 2007

 L’Architecture du cerveau

Le cortex cérébral est une structure complexe constituée de multiples zones, chacune étant spécialisée. Il est représenté par deux hémisphères symétriques divisés en quatre parties distinctes : le lobe frontal, le lobe pariétal, le lobe temporal et le lobe occipital.

« Le lobe frontal fait partie du circuit neuronal gouvernant les jugements sociaux, les aspect du langage, le contrôle du mouvement et une forme de mémoire à court terme baptisée mémoire du travail. Le lobe pariétal reçoit des informations sensorielles du touché, de la pression et de l’espace entourant le corps et participe à l’intégration de ces informations en des perceptions cohérentes. Le lobe occipital est impliqué dans le sens de la vision. Le lobe temporal est impliqué dans le traitement auditif et dans certains aspects du langage et de la mémoire. »
*A la recherche de la mémoire: une nouvelle théorie de l’esprit, Eric R. Kandel, Odile Jacob, 2007

Comment s’organisent le réseau de cellules nerveuses ? L’influx nerveux est véhiculé entre les cellules nerveuses : c’est la structure fondamentale du cerveau comme élément de transmission de l’information. Il s’agit d’un impressionnant réseau de signalisation électrique qui s’explique par l’activation d’un réseau de neurone qu’on appellera le « circuit nerveux ».

Ces circuits, qui s’établissent dans le cerveau et dans la moelle épinière, comprennent trois classes de neurones différents :

« – Les neurones sensoriels, qui sont situés dans la peau et dans divers organes sensitifs, répondent à un type spécifique de stimuli provenant du monde extérieur – le touché, la vue, l’ouïe, le goût et l’odorat – puis envoient cette information au cerveau.

– Les neurones moteurs envoient leur axone hors du tronc cérébral et de la moelle épinière vers des cellules effectrices comme les cellules des muscles ou des glandes, et contrôlent l’activité de ces cellules.

– Les inter-neurones, constituant la classe de neurones la plus représentée dans le cerveau, servent de relais entre les neurones sensoriels et les neurones moteurs. » *A la recherche de la mémoire : une nouvelle théorie de l’esprit

« Typiquement, un seul neurone entre en contact par le biais de ses nombreuses terminaisons pré-synaptiques avec les dendrites de nombreuses cellules cibles. De cette façon, un seul neurone peut largement disséminer l’information qu’il reçoit vers différents neurones cibles, parfois situés dans des régions différentes du cerveau. À l’inverse, les dendrites d’une cellule nerveuse cible peuvent recevoir l’information venant de terminaisons synaptiques appartenant à un grand nombre de neurones différents. De cette façon, un neurone peut intégrer de l’information à partir de multiples neurones situés dans les différentes zones du cerveau. »
*A la recherche de la mémoire: une nouvelle théorie de l’esprit, Eric R. Kandel, Odile Jacob, 2007

 

Image de Blue Brain, un ordinateur qui simule l’activité d’un rat
et Neurones, du projet « brainbow » dans Portraits of the mind

* le Larousse du cerveau

Il faudrait parler de mémoire au pluriel, car effectivement nous avons plusieurs types de mémoire distincts, aux finalités différentes.

« On distingue la mémoire à court terme et la mémoire à long terme. La première est celle qui nous permet de nous souvenir des choses pendant quelques dizaines de secondes. La mémoire à long terme nous permet de nous souvenir des choses pendant des heures, des jours, des mois, des années. Tous les souvenirs ne passent pas d’une forme de mémoire à l’autre, il faut que l’hippocampe soit actif. L’hippocampe joue en quelque sorte le rôle d’une imprimante. Il permet de fixer, d’enregistrer de façon plus durable les souvenirs. » Le cerveau, Emile Godaux, Milan (2004)

La mémoire à court terme, aussi appelée la mémoire du travail, stocke temporairement les données. La mémoire à long terme s’exprime de plusieurs manière : la mémoire explicite et la mémoire implicite, appelée aussi mémoire procédurale.

« Mémoire explicite : stockage de l’information concernant les gens, les lieux et les objets dont le rappel requiert une attention consciente. De tels souvenirs peuvent être décrits par des mots. La mémoire explicite est ce à quoi font allusion la plupart des gens lorsqu’ils parlent de mémoire. Connu également sous le terme de mémoire déclarative. »

« La mémoire implicite n’est pas un système mnésique mais un ensemble de processus mettant en œuvre différents systèmes cérébraux profondément implantés dans le cortex cérébral. Par exemple, l’association de sentiments (comme la peur ou la joie) avec des événements met en œuvre une structure appelée l’amygdale. La formation de nouvelles habitudes motrices (et peut-être cognitive) fait appel au striatum tandis que l’apprentissage de nouvelles facultés motrices ou activités coordonnées dépend du cervelet. […]

La mémoire implicite est souvent automatique. Elle est rappelée directement par le biais de la performance, sans aucun effort conscient ou sans même avoir conscience qu’une inscription en mémoire s’opère. Bien que les expériences modifient les capacités perceptives ou motrices, ces expériences sont virtuellement inaccessibles au rappel conscient. Ainsi, une fois que vous avez appris à faire du vélo, vous en faites tout simplement, sans diriger votre corps en lui ordonnant : « Maintenant je pousse avec mon pied gauche, maintenant mon droit […] ». Si nous faisions plus attention à chacun de ces mouvements, nous tomberions probablement du vélo. Lorsque nous parlons, nous ne réfléchissons pas à la place du nom ou du verbe dans notre phrase. Nous le faisons automatiquement. […]

De nombreuses expériences d’apprentissage font appel aux mémoires à la fois explicite et implicite. De ce fait, la répétition constante peut transformer la mémoire explicite en mémoire implicite. Apprendre à faire du vélo réclame au début une attention consciente portée au corps et au vélo, mais en définitive la pratique du vélo devient une activité motrice automatique et inconsciente. »

L’apprentissage et l’attention…

La mémoire et l’apprentissage sont si intimement liés de telle façon qu’on confond souvent les deux. Mais ces deux notions renvoient cependant à des phénomènes différents. De plus, des formes différentes d’apprentissage donnent naissance à des formes différentes de mémorisation. Eric Kandel, qui entreprend la compréhension des processus Neurobiologiques de la mémoire, commence par faire une série d’étude sur l’apprentissage grâce à des expériences sur un mollusque nommé l’aplysie. Aussi, il nous explique que l’on discerne trois systèmes d’apprentissages communs à tous les animaux : l’habituation, la sensibilisation et le conditionnement classique.

« Dans le conditionnement classique, un animal apprend à répondre à un stimulus neutre de la même manière qu’il répondrait à un stimulus réel, menaçant ou négatif. Dans l’habituation et la sensibilisation, un animal apprend à répondre à un stimulus sans l’associer à un autre stimulus. »

Ces stimuli peuvent être étudiés chez les animaux ainsi que dans les cellules nerveuses individuelles. La sensibilisation est une forme de peur apprise : ainsi après avoir entendu un coup de feu, un individu sursautera au moindre petit son.

« Ces expériences ont confirmé ce que j’avais suspecté – c’est à dire qu’un schéma de stimulation, conçu pour imiter les schémas d’apprentissage des travaux sur le comportement, peut modifier l’efficacité de communication entre neurones et les autres cellules nerveuses. Les expériences démontraient clairement que la force synaptique n’est pas figée – elle peut être modifiée de diverses manières par différents schémas d’activité. Plus précisément, les analogues neuronaux de la sensibilisation et du conditionnement classique aversif renforçaient la connexion synaptique tandis que l’analogue de l’habituation l’atténuait.

« La même synapse peut être soit renforcée, soit affaiblie par ces divers schémas de stimulation »
*A la recherche de la mémoire: une nouvelle théorie de l’esprit, Eric R. Kandel, Odile Jacob, 2007

Ces faits montrent que les formes d’apprentissages sous-tendent certaines formes de stockages de l’information. Effectivement, les synapses pouvaient ainsi subir des modifications durables et pouvaient affecter la force de communication entre deux cellules nerveuses. Il découvre ainsi que l’expérience modifie les synapses…

« Nous découvrîmes que la mémoire à long terme […] requiert un entrainement répété entrecoupé de période de repos. La perfection naît de la pratique […]. Espacer les entrainements par des périodes de récupération amplifie la capacité […] à se forger une mémoire à long terme.

Nous avons conclu que, lors de l’habituation, un potentiel d’action dans le neurone sensoriel donne naissance à un potentiel d’action plus faible dans le neurone moteur, réduisant ainsi l’efficacité de communication tandis que, lors de la sensibilisation, il fait apparaître un potentiel synaptique plus important dans le neurone moteur, et donc une meilleure efficacité de communication. »
*A la recherche de la mémoire: une nouvelle théorie de l’esprit, Eric R. Kandel, Odile Jacob, 2007

« La mémoire diminue à moins qu’on ne l’exerce. » Cicéron

L’efficacité à long terme des connexions synaptiques est régulée par l’expérience. Mais cette potentialité du comportement d’un organisme est déjà présente à l’intérieur de son cerveau, contrôlée par la génétique et le développement des individus. L’environnement et l’apprentissage altèrent donc ces schémas préexistants et créent des nouveaux schémas comportementaux.

Comment l’expérience modifie-t-elle le circuit nerveux ?

« Dans la mémoire à long terme, comme celle à court terme, le nombre de connexion synaptique modifiée peut être suffisamment important pour reconfigurer un circuit nerveux, mais cette fois, de manière anatomique. »

« Cette modification anatomique s’exprime de différentes façons. Un seul neurone sensoriel possède environs 1000 terminaisons pré-synaptiques, seule 40% de ces synapses sont actives, alors que le reste est « dormant ». Il y a une croissance synaptique du à la sensibilisation et un quasi arrêt de la transmission synaptique lors de l’habituation.

« Le même site peut produire de la mémoire à court terme et à long terme dans l’habituation et la sensibilisation. De plus, dans chaque cas il y a une modification de la force synaptique. Mais conformément à la théorie des deux processus, les modifications à court terme et à long terme peuvent être fondamentalement différentes. La mémoire à court terme engendre une modification de la synapse, en renforçant ou en atténuant les connexions préexistantes ; la mémoire à long terme, en revanche, demande des modifications anatomiques. Ainsi, en occasionnant des profondes modifications structurelles, l’apprentissage peut activer des synapses inactives ou inactiver des synapses actives.

« De plus, comme ces modifications se produisent à plusieurs endroit dans le circuit nerveux, […] la mémoire est distribuée et stockée à travers tout le circuit et non en un site spécialisé. »
*A la recherche de la mémoire: une nouvelle théorie de l’esprit, Eric R. Kandel, Odile Jacob, 2007

Comment la mémoire à court terme est-elle convertit en mémoire à long terme ?

La mémoire à long terme, explicite et complexe, est une mémoire qui dure des jours ou des années et qui fait appel au cortex mais passe d’abord par l’hippocampe. Les cellules pyramidales de l’hippocampe, la principale classe de cellules de cette région du cerveau, reçoivent et traitent l’information arrivée à l’hippocampe et l’envoient au relais suivant. Les axones des cellules pyramidales de l’hippocampe sont regroupés en un faisceau appelé le fornix qui sort de l’hippocampe.

Alden et Kandel découvrent qu’à l’inverse des neurones moteurs, un certain type des neurones de l’hippocampe s’active de manière spontanée, sans recevoir de signaux d’autres neurones. Et les potentiels d’action dans ces cellules pyramidales viennent de plusieurs endroits de la cellule, alors que, comme nous l’avons vu, dans un neurone moteur ils ne sont produits qu’à la base de l’axone.

Tamily A. Weisman & Jeff W. Lichtman
Laboratory of Jeff W.Lichtman Harvard University, Cambridge
Hippocampe et cortex cérébral d’une souris génétiquement conçue pour mettre en évidence les différents types de cellules pour le marquage sélectif avec la protéine fluorescente. Au centre de l’image, on voit une courbe correspondant à la région de l’hippocampe qui entoure le corps calleux (rouge), tandis que l’on peut voir les neurones en correspondance au cortex cérébral dans la partie supérieure.

 Où sont stockés nos souvenirs ?

« Les mémoires implicite et explicite sont traitées et stockées dans des régions différentes du cerveau. À court terme, la mémoire explicite des gens, des objets, des lieux, des faits, des événements, est stockée dans le cortex préfrontal. Ces souvenirs sont convertis en souvenir à long termes dans l’hippocampe puis sont ensuite stockés dans les parties du cortex qui ont traité l’information – c’est à dire les même régions qui avaient initialement traité l’information. Les souvenirs implicites des talents, des habitudes et du conditionnement sont stockés dans le cervelet, le striatum et l’amygdale. »
*A la recherche de la mémoire: une nouvelle théorie de l’esprit, Eric R. Kandel, Odile Jacob, 2007

Mémoire à court terme et mémoire à long terme peuvent être stockées dans le même site, mais par des processus différents. Le stockage mnésique se fait en deux étapes : une mémoire à court terme de quelques minutes est convertie en mémoire à long terme qui dure plus ou moins dans la durée, par un processus de consolidation, en passant par l’hippocampe.

Les souvenirs ne sont pas stockés n’importe où dans le cerveau… Des zones spécifiques du cerveau sont impliquées dans certains comportements. Cependant elles fonctionnent simultanément et en interconnections avec d’autres zones du cerveau. De ce fait, les souvenirs sont stockés dans les mêmes régions qui ont initialement traitées l’information. C’est à dire que les souvenirs visuels, par exemple, sont stockés dans le cortex préfrontal, le cortex de la vision. Le souvenir d’une expérience tactile est stocké dans le cortex sensoriel. Les neurones qui extraient le souvenir du stimulus sont les mêmes neurones sensoriels et moteurs qui avaient été activés au tout début.

« Ce faisant, vous ne vous souvenez pas seulement de l’événement lui même, mais vous revivez également l’atmosphère qui l’a entouré – les images, les sons, les odeurs, l’environnement social, le moment de la journée, les conversations, le ton émotionnel »
Eric Kandel

Tout comme nos souvenirs qui se créent par associations multiples et processus complexes, ces aboutissements de la recherche de la mémoire naissent d’une mise en relation de plusieurs savoirs.

Vous pouvez en apprendre d’avantage sur l’aboutissement des recherches sur la peur et la mémoire dans ces articles :

– Ces neurones qui gardent la peur en mémoire, article de Kheira Bettayeb paru dans le journal en ligne du CNRS 

– Peur et mémoire inconsciente, article de Joseph LeDoux paru dans Dossier Pour la Science

– Et si l’on pouvait contrôler la peur ?