Le sommeil permet de garder la mémoire fraîche
Les schémas neuronaux se réorganisent pendant le sommeil pour améliorer la mémoire
Pourquoi le sommeil est-il si important pour l'apprentissage et la mémoire ? Des neuroscientifiques du groupe Csicsvari de l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ont apporté un nouvel éclairage sur cette fonction essentielle en surveillant l'activité neuronale dans le cerveau de rats pendant une période de sommeil allant jusqu'à 20 heures après un apprentissage spatial. Les réorganisations des schémas d'activité neuronale pendant le sommeil, qui reflètent celles observées lors de la mémorisation au réveil, sont au cœur de ces conclusions. Ces résultats ont été publiés dans la revue Neuron.
Une bonne nuit de sommeil nous aide à nous souvenir des informations récemment apprises, en "gravant" nos souvenirs. C'est également le cas pour les animaux, car se souvenir, par exemple, de l'emplacement des ressources alimentaires est essentiel à leur survie. Les scientifiques peuvent étudier ce rôle du sommeil en laboratoire en apprenant à des souris ou à des rats de laboratoire à connaître leur environnement à l'aide de diverses tâches de mémorisation. Dans ces expériences d'apprentissage spatial, les animaux doivent apprendre puis mémoriser l'emplacement de récompenses alimentaires dans des labyrinthes. Malgré des recherches approfondies visant à comprendre les mécanismes neuronaux qui favorisent l'apprentissage, la formation de la mémoire et le souvenir, de nombreuses questions sur ces fonctions cérébrales essentielles restent sans réponse.
Des chercheurs du groupe du professeur Jozsef Csicsvari de l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (ISTA) ont étudié le rôle clé des stades du sommeil dans l'optimisation de la mémorisation. Ils ont mesuré sans fil les schémas d'activité neuronale dans le cerveau de rats pendant une période allant jusqu'à 20 heures de sommeil, ce qui a considérablement allongé les temps de mesure précédemment rapportés. "Nous avons montré que les assemblées neuronales dans les premiers stades du sommeil reflètent les souvenirs spatiaux récemment appris. Cependant, au fur et à mesure que le sommeil progresse, les schémas d'activité neuronale se transforment progressivement en ceux observés plus tard, lorsque les rats se réveillent et se souviennent de l'emplacement de leurs récompenses alimentaires", explique M. Csicsvari.
Cartographier les emplacements des récompenses et s'en souvenir
Des travaux antérieurs ont montré qu'une zone corticale du cerveau, l'hippocampe, joue un rôle important dans l'exploration et le maintien d'itinéraires dans un environnement (navigation spatiale), ainsi que dans l'apprentissage spatial. Les neurones de l'hippocampe gardent la trace de l'emplacement de l'animal en émettant des signaux à des endroits spécifiques, formant ainsi une carte cognitive de l'environnement. Les animaux utilisent cette carte pour naviguer dans l'espace et la mettent à jour au cours de l'apprentissage. Dans ce processus, les lieux de récompense jouent un rôle déterminant, car ils sont représentés de manière disproportionnée dans la carte cognitive de l'animal.
Après l'apprentissage spatial, l'hippocampe joue un rôle important dans l'amélioration de la mémoire pendant le sommeil. Il le fait en réactivant les traces de mémoire récemment apprises. Précédemment, le groupe de Csicsvari a montré que plus un lieu de récompense spécifique est réactivé pendant le sommeil, mieux l'animal se souvient de ce lieu à son réveil. En revanche, lorsque l'équipe bloquait la réactivation d'une mémoire de récompense spécifique, les animaux étaient incapables de se souvenir de l'endroit en question.
La réorganisation des schémas neuronaux pendant le sommeil grave les souvenirs
Alors que les scientifiques ne pouvaient jusqu'à présent examiner la réactivation des souvenirs spatiaux que pendant des périodes de sommeil plus courtes, de deux à quatre heures, l'équipe a maintenant réalisé de telles expériences au cours d'une longue nuit de sommeil. À l'aide d'enregistrements sans fil, ils ont surveillé l'activité neuronale dans l'hippocampe pendant 20 heures, alors que les rats se reposaient et dormaient après un paradigme d'apprentissage spatial.
"Nos résultats sont inattendus. Nous avons montré que les schémas d'activité des neurones liés aux lieux de récompense se réorganisaient pendant le long sommeil", explique Lars Bollmann, titulaire d'un doctorat de l'ISTA et l'un des coauteurs de l'étude. En effet, lorsqu'un lieu de récompense donné était réactivé, tous les neurones qui représentaient ce lieu ne restaient pas actifs pendant toute la durée du sommeil. Si certains le sont - les chercheurs de l'ISTA les ont qualifiés de "sous-groupe stable" -, d'autres cessent de fonctionner au cours des stades ultérieurs du sommeil. Dans le même temps, un nouveau groupe de neurones a commencé à s'activer progressivement. "Le plus surprenant, c'est que nous avons montré que si le schéma d'allumage des neurones dans les premiers stades du sommeil faisait écho à l'activité neuronale dans la phase d'apprentissage, ce schéma évoluait ensuite pour refléter l'activité neuronale lorsque les rats se réveillaient et se souvenaient de l'endroit où se trouvaient les récompenses", ajoute Bollmann. Ainsi, l'équipe a non seulement observé une dérive des modèles d'activité neuronale pendant le sommeil dans le cadre de l'apprentissage spatial, mais elle l'a également liée au processus de réactivation de la mémoire. Ils ont ainsi mis en lumière la manière dont le sommeil contribue à maintenir la fraîcheur des souvenirs. En outre, ils ont montré que cette réorganisation se produit pendant le sommeil à mouvements oculaires non rapides (non-REM), tandis que le sommeil paradoxal la contrecarre.
Des neurones libérés pour de nouveaux souvenirs ?
Quel pourrait être le rôle de ce phénomène, appelé "dérive représentationnelle", qui se produit pendant le sommeil ? "Nous ne pouvons que spéculer à cet égard", déclare Csicsvari. "Il est possible que les représentations de la mémoire soient formées rapidement pendant l'apprentissage, mais que ces représentations ne soient pas optimales pour le stockage à long terme. Par conséquent, un processus peut avoir lieu pendant le sommeil qui optimise ces représentations pendant le sommeil afin de réduire les ressources cérébrales pour stocker un souvenir spécifique." À l'appui de cette hypothèse, les chercheurs ont observé que moins de neurones étaient liés à un lieu de récompense donné après le sommeil qu'avant. Par conséquent, certains neurones sont libérés pour accueillir de nouveaux souvenirs. "Tout nouveau souvenir doit trouver un moyen d'être intégré dans les connaissances existantes. Des répétitions fréquentes des nouveaux souvenirs ainsi qu'un changement partiel du code neuronal peuvent donc contribuer à optimiser leur intégration dans les représentations mémorielles existantes", conclut Csicsvari.
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