Lorsque vous suivez votre trajet habituel pour vous rendre au travail ou à l’épicerie, votre cerveau utilise des cartes cognitives stockées dans l’hippocampe et le cortex entorhinal. Ces cartes contiennent des informations sur les chemins empruntés et les lieux visités, vous permettant de vous orienter facilement.
Des recherches récentes du MIT ont révélé que ces cartes mentales sont également créées et activées lorsque vous pensez simplement à des séquences d’expériences, sans mouvement physique ni apport sensoriel. Dans une étude animale, les chercheurs ont découvert que le cortex entorhinal abrite une carte cognitive des expériences des animaux lorsqu’ils utilisent un joystick pour parcourir une séquence d’images. Ces cartes sont activées même lorsque les images ne sont pas visibles.
Il s’agit de la première étude à démontrer la base cellulaire de la simulation mentale et de l’imagination dans un domaine non spatial par l’activation d’une carte cognitive dans le cortex entorhinal.
« Ces cartes cognitives sont utilisées pour effectuer une navigation mentale, sans aucune entrée sensorielle ni sortie motrice. Nous pouvons voir une signature de cette carte apparaître lorsque l’animal vit mentalement ces expériences », explique Mehrdad Jazayeri, professeur agrégé de sciences du cerveau et des sciences cognitives, membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT et auteur principal de l’étude.
Sujaya Neupane, chercheuse au McGovern Institute, est l’auteur principal de l’étude, publiée aujourd’hui dans Nature. Ila Fiete, professeur de sciences du cerveau et des sciences cognitives au MIT, membre du McGovern Institute for Brain Research et directrice du K. Lisa Yang Integrative Computational Neuroscience Center, est également co-auteur de l’article.
Cartes mentales
De nombreuses études sur des modèles animaux et humains ont montré que les représentations d’emplacements physiques sont stockées dans l’hippocampe et le cortex entorhinal. Ces représentations sont activées chaque fois qu’un animal se déplace dans un espace familier, juste avant de traverser l’espace ou pendant le sommeil.
« La plupart des études antérieures se sont concentrées sur la manière dont ces zones reflètent les structures et les détails de l’environnement lorsqu’un animal se déplace physiquement dans l’espace », explique Jazayeri. « Lorsqu’un animal se déplace dans une pièce, ses expériences sensorielles sont bien codées par l’activité des neurones de l’hippocampe et du cortex entorhinal. »
Dans cette nouvelle étude, Jazayeri et ses collègues ont voulu déterminer si ces cartes cognitives sont également construites et utilisées lors de parcours purement mentaux ou lors de l’imagination de mouvements à travers des domaines non spatiaux.
Pour explorer cette possibilité, les chercheurs ont entraîné des animaux à utiliser un joystick pour tracer un chemin à travers une séquence d’images (« points de repère ») espacées à intervalles réguliers. Au cours de la formation, les animaux n’ont vu qu’un sous-ensemble de paires d’images, mais pas toutes les paires. Une fois que les animaux ont appris à naviguer entre les paires d’entraînement, les chercheurs ont testé s’ils pouvaient gérer les nouvelles paires qu’ils n’avaient jamais vues auparavant.
Une possibilité est que les animaux n’apprennent pas une carte cognitive de la séquence, mais résolvent la tâche en utilisant une stratégie de mémorisation. Si tel est le cas, ils devraient avoir du mal avec les nouvelles paires. Au lieu de cela, si les animaux s’appuient sur une carte cognitive, ils devraient être capables de généraliser leurs connaissances aux nouveaux couples.
« Les résultats ont été sans équivoque », déclare Jazayeri. « Les animaux étaient capables de naviguer mentalement entre les nouvelles paires d’images dès le premier test. Cette découverte fournit de solides preuves comportementales de la présence d’une carte cognitive. Mais comment le cerveau établit-il une telle carte ?
Pour répondre à cette question, les chercheurs ont enregistré des neurones uniques dans le cortex entorhinal pendant que les animaux effectuaient cette tâche. Les réponses neuronales présentaient une caractéristique frappante : lorsque les animaux utilisaient le joystick pour naviguer entre deux points de repère, les neurones présentaient des pics d’activité distincts associés à la représentation mentale des points de repère intermédiaires.
« Le cerveau subit ces pics d’activité au moment prévu, alors que les images intermédiaires seraient passées par les yeux de l’animal, ce qui n’est jamais le cas », explique Jazayeri. « Et le moment crucial entre ces pics était exactement le moment auquel l’animal aurait pu s’attendre à atteindre chacune d’entre elles, qui dans ce cas était de 0,65 seconde. »
Les chercheurs ont également montré que la vitesse de la simulation mentale était liée à la performance des animaux sur la tâche : lorsqu’ils étaient un peu en retard ou en avance dans l’exécution de la tâche, leur activité cérébrale montrait un changement correspondant dans le timing. Les chercheurs ont également découvert que les représentations mentales dans le cortex entorhinal ne codent pas les caractéristiques visuelles spécifiques des images, mais plutôt la disposition ordinale des points de repère.
Un modèle d’apprentissage
Pour explorer davantage le fonctionnement de ces cartes cognitives, les chercheurs ont construit un modèle informatique pour imiter l’activité cérébrale qu’ils ont trouvée et démontrer comment elle pourrait être générée. Ils ont utilisé un type de modèle connu sous le nom de modèle d’attracteur continu, développé à l’origine pour modéliser la façon dont le cortex entorhinal suit la position d’un animal lorsqu’il se déplace, sur la base d’entrées sensorielles.
Les chercheurs ont personnalisé le modèle en ajoutant un composant capable d’apprendre les modèles d’activité générés par les entrées sensorielles. Ce modèle a ensuite pu apprendre à utiliser ces modèles pour reconstruire ces expériences plus tard, lorsqu’il n’y avait aucune entrée sensorielle.
« L’élément clé que nous devions ajouter est que ce système a la capacité d’apprendre de manière bidirectionnelle en communiquant avec des entrées sensorielles. Grâce à l’apprentissage associatif que traverse le modèle, il recréera réellement ces expériences sensorielles », explique Jazayeri.
Les chercheurs envisagent maintenant d’étudier ce qui se passe dans le cerveau si les points de repère ne sont pas uniformément espacés ou s’ils sont disposés en anneau. Ils espèrent également enregistrer l’activité cérébrale de l’hippocampe et du cortex entorhinal au fur et à mesure que les animaux apprennent à effectuer la tâche de navigation.
« Voir la mémoire de la structure se cristalliser dans l’esprit et comment cela conduit à l’activité neuronale qui en émerge est une manière très précieuse de se demander comment se produit l’apprentissage », explique Jazayeri.
La recherche a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, les Fonds de recherche du Québec, les National Institutes of Health et le Paul et Lilah Newton Brain Science Award.
