Nous savons que le cervelet joue un rôle important dans le contrôle moteur. Les scientifiques ont longtemps pensé que c’était sa seule fonction. Au milieu des années 1980, on a commencé à soupçonner que le cervelet contribuait également à certaines fonctions cognitives supérieures. Plusieurs études anatomiques et cliniques ont depuis confirmé cette hypothèse, mais ces contributions restent floues. Une étude récemment publiée dans Nature Communications met en lumière le rôle du cervelet dans l’apprentissage non moteur.
Le cervelet est une région cérébrale située à l’arrière du crâne, sous les hémisphères cérébraux. Il joue un rôle majeur dans le contrôle de la fonction motrice. En effet, il est indispensable à l’équilibre, à la coordination et à la précision des mouvements. Mais sa fonction ne s’arrête pas là. ” Des études de tracés anatomiques ont montré que le cervelet envoie des signaux non seulement aux zones motrices, mais également aux zones non motrices du cortex cérébral. », notent les auteurs de l’étude. Les données de neuroimagerie ont confirmé que le cervelet est également impliqué dans divers processus cognitifs, notamment la fonction exécutive, la mémoire de travail, le langage, les émotions, etc. Cependant, ses contributions aux fonctions non motrices restent mal comprises. Des neuroscientifiques de l’Université de Pittsburgh et de l’Université Columbia ont mené une série d’expériences sur des singes pour tenter d’élucider ces mécanismes cérébraux.
Une région du cerveau qui utilise les informations liées aux erreurs
Le cervelet représente environ 10 % de la masse cérébrale. Pourtant, il contient près de 80 % des neurones du cerveau ! Deux types de neurones jouent un rôle prédominant : les cellules de Purkinje (ou cellules P) et les cellules granulaires. Les cellules P font partie des plus gros neurones du cerveau humain. Ils contrôlent et coordonnent efficacement les mouvements moteurs du corps en libérant un neurotransmetteur qui inhibe certains neurones.
Le cervelet est essentiel au processus d’apprentissage qui permet d’associer des signaux sensoriels à des actions spécifiques. Il s’appuie sur ces signaux sensoriels pour affiner l’activité motrice. Pour ce faire, il « surveille » en permanence notre environnement, ainsi que les résultats des mouvements que nous effectuons. Cela nous permet par exemple de remplir correctement un verre, de soulever un objet avec la force nécessaire, etc.
Le cervelet apprend essentiellement de nos erreurs. Il utilise des informations sur ces erreurs pour ajuster la force des connexions cérébrales. Ainsi, au fil du temps, nos réponses comportementales s’adaptent de plus en plus aux signaux que nous percevons. Ainsi, nos actions motrices sont façonnées par nos expériences passées.
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” Comme le cervelet utilise les informations d’erreur pour affiner progressivement le mouvement, une autre hypothèse a été qu’il contribuerait probablement aux fonctions cognitives de la même manière. », explique le professeur Andreea Bostan, co-auteur de l’étude.
Pour tester cette hypothèse, Bostan et ses collègues ont entraîné des singes à bouger leur main gauche ou droite en fonction de l’image qu’ils voyaient sur un écran. S’ils agissaient correctement, ils étaient récompensés par une gorgée de liquide. Le but était qu’ils associent des repères visuels précis au mouvement approprié pour obtenir la récompense.
Un rôle indéniable dans l’apprentissage des associations visuomotrices
Dans des recherches antérieures, une partie de l’équipe a montré que dans la région latérale postérieure du cervelet, l’activité des cellules P change pour refléter le processus d’apprentissage des associations visuomotrices en fonction des résultats de la récompense.
Dans cette étude, deux singes ont appris à associer un symbole visuel à un mouvement de la main gauche, puis un autre symbole à un mouvement de la main droite. Les chercheurs ont rapporté que les cellules P conservaient collectivement la mémoire de la décision la plus récente pendant toute la durée de l’essai. Au fur et à mesure que les singes apprenaient l’association, l’ampleur du signal d’erreur lié à la récompense approchait de zéro. Le cervelet postérolatéral semble donc participer à l’apprentissage de nouvelles associations visuomotrices.
a) Schéma du dispositif expérimental. b) Session représentative, avec environ 30 essais de la tâche de surentraînement (à gauche) et 100 essais de la tâche d’apprentissage (à droite). Crédits : Sendhilnathan et al., Nature Communications (2024)
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La nouvelle étude visait à tester si cette région du cerveau contribue ou non à l’apprentissage. L’équipe a utilisé une bibliothèque de 16 paires de symboles avec différents niveaux de complexité et différents niveaux de similarité entre les symboles de chaque paire. Au cours de chaque séance, après que les singes aient effectué environ 30 essais avec des symboles familiers (surentraînement), les chercheurs leur ont présenté une nouvelle paire de symboles choisis au hasard dans la bibliothèque.
Avant d’effectuer ces tâches, les singes ont reçu soit un placebo, soit un médicament bloquant temporairement l’activité du cervelet latéral postérieur. Lorsqu’on leur présentait un symbole qu’ils avaient déjà appris à associer à un certain mouvement, les primates accomplissaient la tâche correctement. Ceux qui ont reçu le placebo ont pu apprendre une nouvelle association visuomotrice après 50 à 70 essais. En revanche, les singes sous agent bloquant ont eu des difficultés à apprendre même l’association qui présentait le moins de difficultés d’acquisition.
Une explication des symptômes observés dans les troubles cérébelleux
” LLorsque vous inactivez cette région cérébelleuse, vous les gêner nouvel apprentissage. C’est beaucoup plus lent, cela se produit avec beaucoup plus d’essais et les performances n’atteignent pas le même niveau », résume le professeur Bostan. Elle ajoute qu’il s’agit d’un exemple concret de cervelet utilisant les informations de récompense pour façonner la fonction cognitive chez les primates.
F) Performances singes pour chaque session pendant une nouvelle tâche d’apprentissage danss’ils reçoivent le produit placebo. g) Identique à f, mais après injection de muscimol, provoquant leinactivation de cervelet postérolatéral. Crédits : Sendhilnathan et al., Nature Communications (2024)
L’inactivation du cervelet postérolatéral n’a cependant pas empêché les singes de réussir à réaliser les associations acquises lors du surentraînement. ” Cela implique que même si le cortex cérébelleux postérolatéral est essentiel à l’apprentissage, la consolidation se situe ailleurs. », notent les chercheurs. Cela n’a pas non plus affecté la cinématique motrice globale du mouvement de la main. Les singes ont effectué la tâche avec des mouvements de main « bien stéréotypés », à la fois pendant le surentraînement et pendant l’apprentissage.
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Restait à vérifier si l’effet de l’inactivation était spécifique au cervelet postéro-latéral. Les chercheurs ont donc désactivé de la même manière des parties plus antérieures du cervelet des singes. Cela n’a eu aucun effet sur leur capacité à apprendre de nouvelles associations visuomotrices.
Ces résultats suggèrent que les circuits cérébelleux peuvent mettre en œuvre des calculs fonctionnellement distincts pour permettre un apprentissage cognitif et un comportement flexibles. ” Nos recherches fournissent des preuves claires que le cervelet est non seulement important pour apprendre à réaliser des actions habiles, mais également pour savoir quelles actions sont les plus utiles dans certaines situations. Cela permet d’expliquer certaines difficultés non motrices observé chez les personnes souffrant de troubles cérébelleux », conclut le neuroscientifique.
