Une nouvelle étude suggère qu’ils pourraient se trouver dans les connexions entre les cellules du cerveau

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 puisse stocker des informations en réorganisant les connexions, ou synapses, entre les neurones.

Depuis lors, les scientifiques en neuroscience ont tenté de comprendre les changements physiques associés à la formation de la mémoire. Mais la visualisation et la cartographie des synapses sont difficiles à réaliser. 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.

Cependant, une nouvelle technique d’imagerie mise au point par mes collègues et moi-même nous a 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 plus 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. Si ces études ont confirmé que les neurones modifient leur réponse à des stimuli particuliers après la formation d’un souvenir, elles 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 3D des synapses du poisson zèbre avant et après la formation de la mémoire. 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.

Pour induire un nouveau souvenir chez le poisson, nous avons utilisé un type de processus d’apprentissage appelé conditionnement classique. Ce processus consiste à 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 un souvenir associatif liant ces stimuli entre eux.

Comme stimulus désagréable, nous avons chauffé doucement la tête du poisson avec un laser infrarouge. Lorsque le poisson remuait la queue, nous considérions que cela signifiait qu’il voulait s’échapper. Lorsque le poisson est ensuite exposé à un stimulus neutre, une lumière allumée, le battement de queue signifie qu’il se souvient de ce qui s’est passé lorsqu’il a rencontré le stimulus désagréable.

Conditionnement (pavlovien) classique

Pour créer ces cartes, nous avons génétiquement modifié des poissons zèbres dont les neurones 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.

Lorsque nous avons comparé les cartes de synapses en 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 liés à la peur.

L’image ci-contre 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

Étonnamment, les changements dans la force des connexions existantes entre les neurones qui se sont produits lors de la formation de la mémoire étaient faibles et impossibles à distinguer 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 de la puissance des synapses existantes, comme on le pensait auparavant.

Supprimer les synapses pourrait-il 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 pistes potentielles pour le traitement d’affections neuropsychiatriques telles que le SSPT (syndrome de stress post-traumatique) et la toxicomanie.

Les souvenirs associatifs ont tendance à être beaucoup plus puissants que les autres types de souvenirs, comme les souvenirs conscients de ce que vous avez mangé hier midi. En outre, on pense que les souvenirs associatifs induits par le conditionnement classique sont analogues aux souvenirs traumatiques à l’origine du SSPT. Des stimuli par ailleurs 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 durent plus longtemps et sont plus vivaces que d’autres types de souvenirs.

Actuellement, le traitement le plus courant du SSPT, 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.

On ignore encore si la génération et la perte de synapses sont effectivement à l’origine de 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 constater si cela modifie ou non les souvenirs associatifs.

Ces méthodes pourraient permettre d’effacer physiquement les souvenirs associatifs qui sous-tendent des états dévastateurs comme le SSPT et la dépendance. Toutefois, 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.

Traduction : Rédaction de Science Infuse – article original paru dans The Conversation

Image mise en avant : cerveau de chimpanzé (Wikipedia)

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Avec plus de 18 mois de pandémie dans le rétroviseur, les chercheurs n’ont cessé de recueillir de nouvelles informations importantes concernant les effets du COVID-19 sur l’organisme et le cerveau. Ces résultats suscitent des inquiétudes quant aux effets à long terme que le coronavirus pourrait avoir sur des processus biologiques tels que le vieillissement.

En tant que scientifique en neuroscience cognitive, mes recherches antérieures ont porté sur la compréhension de la façon dont les modifications cérébrales normales liées au vieillissement affectent la capacité des personnes à penser et à se mouvoir, en particulier dans la force de l’âge et au-delà. Mais au fur et à mesure que les preuves montrant que le COVID-19 pouvait affecter l’organisme et le cerveau pendant des mois ou davantage après l’infection se sont multipliées, mon équipe de recherche s’est intéressée à la manière dont il pouvait également influencer le processus naturel de vieillissement.

Observer la réponse du cerveau au COVID-19

En août 2021, une étude préliminaire mais à grande échelle portant sur les modifications du cerveau chez les personnes ayant été infectées par le COVID-19 a fortement attiré l’attention au sein de la communauté des neurosciences.

Dans cette étude, les chercheurs se sont appuyés sur une base de données existante, la UK Biobank, qui contient les données d’imagerie cérébrale de plus de 45 000 personnes au Royaume-Uni, remontant jusqu’à 2014. Cela signifie, et c’est crucial, qu’il existait des données de référence et des images cérébrales de toutes ces personnes avant la pandémie.

L’équipe de recherche a analysé les données d’imagerie cérébrale, puis a fait revenir les personnes qui avaient reçu un diagnostic de COVID-19 pour des scanners cérébraux supplémentaires. Ils ont comparé les personnes qui avaient contracté le COVID-19 à celles qui ne l’avaient pas contracté, en appariant soigneusement les groupes en fonction de l’âge, du sexe, de la date du test de référence et du lieu de l’étude, ainsi que des facteurs de risque communs de la maladie, tels que les variables de santé et le statut socio-économique.

L’équipe a constaté des différences marquées au niveau de la matière grise, constituée des corps cellulaires des neurones qui traitent les informations dans le cerveau, entre les personnes qui avaient été infectées par le COVID-19 et celles qui ne l’avaient pas été. De façon plus spécifique, l’épaisseur de la matière grise dans les régions du cerveau connues sous le nom de lobes frontaux et temporaux était réduite dans le groupe COVID-19, ce qui différait des caractéristiques habituelles observées dans le groupe qui n’avait pas été infecté par le COVID-19.

Dans la population générale, il est normal de constater un certain changement du volume ou de l’épaisseur de la matière grise au fil du temps avec l’âge, mais les modifications étaient plus importantes que la normale chez les personnes qui avaient été infectées par le COVID-19.

Il est intéressant de noter que lorsque les chercheurs ont distingué les personnes dont la maladie était suffisamment sévère pour nécessiter une hospitalisation, les résultats étaient les mêmes que pour celles qui avaient subi une infection COVID-19 plus légère. Autrement dit, les personnes qui avaient été infectées par le COVID-19 présentaient une perte de volume cérébral même lorsque la maladie n’était pas assez sévère pour nécessiter une hospitalisation.

Enfin, les chercheurs ont également étudié les modifications de performances lors de tâches cognitives et ont constaté que les personnes qui avaient contracté le COVID-19 étaient plus lentes à traiter l’information, par comparaison avec celles qui ne l’avaient pas contracté.

Bien que nous devions être prudents dans l’interprétation de ces résultats en attendant un examen formel par les pairs, la grande taille de l’échantillon, les données avant et après la maladie chez les mêmes personnes et l’appariement minutieux avec des personnes qui n’avaient pas eu le COVID-19 ont rendu ce travail préliminaire particulièrement précieux.

Que signifient ces modifications du volume cérébral ?

Au début de la pandémie, l’une des choses que l’on a signalé le plus couramment chez les personnes infectées par le COVID-19 était la perte du sens du goût et de l’odorat.

Il est frappant de constater que les régions du cerveau qui, selon les chercheurs britanniques, sont touchées par le COVID-19 sont toutes liées au bulbe olfactif, une structure située à l’avant du cerveau qui transmet les signaux relatifs aux odeurs du nez à d’autres régions du cerveau. Le bulbe olfactif est relié à des régions du lobe temporal. On parle souvent du lobe temporal dans le contexte du vieillissement et de la maladie d’Alzheimer, car c’est là que se trouve l’hippocampe. L’hippocampe est susceptible de jouer un rôle clé dans le vieillissement, étant donné son implication dans la mémoire et les processus cognitifs.

L’odorat est également important pour la recherche sur la maladie d’Alzheimer, car certaines données suggèrent que les personnes à risque pour la maladie présentent une réduction de l’odorat. Bien qu’il soit beaucoup trop tôt pour tirer des conclusions sur les effets à long terme de ces modifications liés au COVID, l’étude des liens possibles entre les modifications cérébrales liées au COVID-19 et la mémoire est d’un grand intérêt, en particulier compte tenu des régions impliquées et de leur importance dans la mémoire et la maladie d’Alzheimer.

Perspectives d’avenir

Ces nouveaux résultats soulèvent d’importantes questions qui restent encore sans réponse : Que signifient ces changements cérébraux consécutifs au COVID-19 en ce qui concerne le processus et le rythme du vieillissement ? Et également, avec le temps, le cerveau récupère-t-il dans une certaine mesure de l’infection virale ?

Il s’agit là de domaines de recherche actifs et ouverts, dont certains sont en cours d’étude dans mon propre laboratoire, parallèlement à nos travaux en cours sur le vieillissement du cerveau.

Les travaux de notre laboratoire démontrent qu’avec l’âge, le cerveau pense et traite l’information différemment. En outre, nous avons observé des modifications au fil du temps dans la façon dont les corps des personnes se déplacent et la façon dont les personnes acquièrent de nouvelles compétences motrices. Plusieurs décennies de travaux ont démontré que les adultes âgés ont plus de mal à traiter et à manipuler les informations, comme par exemple mettre à jour une liste mentale de courses d’épicerie, mais qu’ils conservent généralement leur connaissance des faits et du vocabulaire. En ce qui concerne les compétences motrices, nous savons que les adultes âgés continuent d’apprendre, mais plus lentement que les adultes jeunes.

En ce qui concerne la structure du cerveau, nous constatons généralement une réduction de la taille du cerveau chez les adultes de plus de 65 ans. Cette réduction n’est pas localisée dans une seule région. Des différences peuvent être observées dans de nombreuses régions du cerveau. On observe aussi généralement une augmentation du liquide céphalorachidien qui remplit l’espace en raison de la perte de tissu cérébral. En outre, la matière blanche, l’isolant des axones, de longs câbles qui transportent les impulsions électriques entre les cellules nerveuses, est également moins intacte chez les personnes âgées.

L’espérance de vie ayant augmenté au cours des dernières décennies, de plus en plus de personnes atteignent un âge avancé. Bien que l’objectif soit de vivre longtemps et en bonne santé, même dans le meilleur des cas où l’on vieillit sans maladie ni handicap, la vieillesse entraîne des modifications de notre façon de penser et de nous mouvoir.

Apprendre comment toutes ces pièces du puzzle s’assemblent nous aidera à percer les mystères du vieillissement afin de contribuer à améliorer la qualité de vie et le fonctionnement des personnes âgées. Et actuellement, dans le contexte de COVID-19, cela nous aidera à comprendre dans quelle mesure le cerveau peut également récupérer après une maladie.

Traduit par Citizen4Science – Lien vers l’article original