Dans un monde en constante évolution, flexibilité et adaptation sont des qualités que nous mettons en pratique au quotidien. Changer les comportements familiers en réponse à de nouvelles situations, comme un nouveau chantier qui vous oblige à modifier votre itinéraire ou à trouver votre émission préférée après avoir téléchargé une nouvelle application de streaming, est une compétence essentielle.
Pour effectuer ces adaptations, votre cerveau modifie ses schémas d’activité au sein d’une structure appelée cortex préfrontal, une zone du cerveau essentielle aux fonctions cognitives telles que l’attention, la planification et la prise de décision. Mais on ne sait pas clairement quels circuits spécifiques « demandent » au cortex préfrontal de mettre à jour ses schémas afin de modifier son comportement.
Notre équipe de neuroscientifiques étudie comment le cerveau traite les informations et ce qui se passe lorsque cette fonction est altérée. Dans nos recherches récemment publiées, nous avons découvert une classe particulière de neurones dans le cortex préfrontal qui pourraient permettre une flexibilité comportementale et qui, en cas de dysfonctionnement, sont susceptibles de conduire à des pathologies telles que la schizophrénie et le trouble bipolaire.
Neurones inhibiteurs et apprentissage de nouvelles règles
Les neurones inhibiteurs atténuent l’activité des autres neurones du cerveau. Jusqu’à présent, les chercheurs considéraient que ces neurones envoyaient leurs signaux électriques et chimiques uniquement aux neurones situés à proximité. Cependant, nous avons découvert une classe spéciale de neurones inhibiteurs dans le cortex préfrontal qui communiquent sur de longues distances avec ceux de l’hémisphère opposé du cerveau.
Nous nous sommes demandés si ces connexions inhibitrices à longue portée participaient à la coordination des changements dans les schémas d’activité dans les cortex préfrontaux gauche et droit. Ce faisant, ils pourraient fournir les signaux cruciaux qui vous aideraient à modifier votre comportement au bon moment.
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Pour tester le fonctionnement de ces connexions inhibitrices à longue portée, nous avons observé des souris effectuant une tâche qui leur demandait d’apprendre une règle pour recevoir une récompense, puis de s’adapter à une nouvelle règle afin de continuer à recevoir la récompense. Cette tâche consistait à ce que les souris creusent dans des bols pour trouver de la nourriture cachée. Dans un premier temps, l’odeur de l’ail ou la présence de sable dans un bol peuvent indiquer l’emplacement de nourriture cachée. Le signal caractéristique associé à la récompense change alors, obligeant les souris à apprendre une nouvelle règle.
Nous avons constaté que la suppression des connexions inhibitrices à longue portée entre les cortex préfrontaux gauche et droit provoquait le blocage ou la persistance des souris avec une règle et les empêchait d’en apprendre de nouvelles. Ils n’ont pas pu changer de stratégie et ont appris que l’ancien signal n’avait plus de sens et que le nouveau signal indiquait la présence de nourriture.
Ondes cérébrales et flexibilité comportementale
Nous avons également fait des découvertes surprenantes sur la façon dont ces connexions inhibitrices à longue portée créent une flexibilité comportementale. Plus précisément, ils synchronisent un ensemble d’« ondes cérébrales » appelées oscillations gamma dans les deux hémisphères. Il s’agit de fluctuations rythmiques de l’activité cérébrale qui se produisent environ 40 fois par seconde. Ces fluctuations peuvent être détectées pour de nombreuses fonctions cognitives, comme lorsque vous effectuez une tâche qui nécessite de conserver des informations en mémoire ou d’effectuer différents mouvements en fonction des informations affichées sur un écran d’ordinateur.
Bien que les scientifiques observent la présence d’oscillations gamma depuis plusieurs décennies, leur fonction reste controversée. De nombreux chercheurs estiment que synchroniser ces fluctuations rythmiques dans diverses régions du cerveau ne sert à rien. D’autres ont émis l’hypothèse que cette synchronisation entre différentes régions du cerveau améliore la communication entre ces régions.
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Nous avons découvert un tout nouveau rôle potentiel pour la synchronisation gamma. Lorsque les connexions inhibitrices à longue portée coordonnent les oscillations gamma dans les cortex préfrontaux gauche et droit, elles semblent également ouvrir la communication entre eux.
Lorsque les souris apprennent à ignorer une règle précédemment établie qui ne conduit plus à une récompense, ces connexions synchronisent les oscillations gamma et semblent empêcher un hémisphère de maintenir des schémas d’activité inutiles dans l’autre hémisphère. En d’autres termes, les connexions inhibitrices à longue portée semblent empêcher les entrées d’un hémisphère de « gêner » les entrées de l’autre hémisphère lorsque ce dernier essaie d’apprendre quelque chose de nouveau.
Par exemple, le cortex préfrontal gauche peut « mémoriser » avec le cortex préfrontal droit votre itinéraire habituel pour vous rendre au travail. Mais lorsque des connexions inhibitrices à longue portée synchronisent ces deux zones, elles semblent également interrompre ces rappels et permettre à de nouveaux schémas d’activité cérébrale correspondant à votre nouvel itinéraire de prendre place.
Enfin, ces connexions inhibitrices à longue portée déclenchent également des effets durables. En coupant ces connexions ne serait-ce qu’une seule fois, les souris ont eu du mal à apprendre de nouvelles règles plusieurs jours plus tard. À l’inverse, stimuler rythmiquement ces connexions pour synchroniser artificiellement les oscillations gamma peut inverser ces déficits et restaurer un apprentissage normal.
Flexibilité cognitive et schizophrénie
Les connexions inhibitrices à longue portée jouent un rôle important dans la flexibilité cognitive. L’incapacité à mettre à jour de manière appropriée les règles apprises précédemment constitue une forme caractéristique de déficits cognitifs dans les troubles psychiatriques tels que la schizophrénie et la maladie affective bipolaire.
La recherche a également révélé des déficiences dans la synchronisation gamma et des anomalies dans une classe de neurones inhibiteurs préfrontaux, y compris ceux que nous avons étudiés, chez les personnes atteintes de schizophrénie. Dans ce contexte, notre étude suggère que les traitements ciblant ces connexions inhibitrices à longue portée pourraient contribuer à améliorer la cognition des personnes atteintes de schizophrénie en synchronisant les oscillations gamma.
De nombreux détails sur la manière dont ces connexions affectent les circuits cérébraux restent inconnus. Par exemple, nous ne savons pas exactement quelles cellules du cortex préfrontal reçoivent des informations de ces connexions inhibitrices à longue portée et modifient leurs schémas d’activité pour apprendre de nouvelles règles. Nous ne savons pas non plus s’il existe des voies moléculaires particulières qui produisent des changements durables dans l’activité neuronale.
Répondre à ces questions pourrait révéler la manière dont le cerveau passe avec souplesse de la conservation à la mise à jour d’anciennes informations, et éventuellement conduire à de nouveaux traitements pour la schizophrénie et d’autres maladies psychiatriques.
La version originale de cet article a été publiée sur La Conversation, un site d’information à but non lucratif dédié au partage d’idées entre experts académiques et grand public.
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Kathleen Cho est financée par les National Institutes of Health, la Simons Foundation Autism Research Initiative, le UCSF Dolby Family Center for Mood Disorders et le Bay Area Psychedelic Research consortium.
