L’informatique spatiale permet une mémoire de travail flexible

Les tâches de routine qui nécessitent de la mémoire de travail, comme la cuisson, impliquent de se souvenir à la fois de certaines règles générales (par exemple, lire la température et l’heure du four à partir de la recette, puis de les régler sur le four) et d’un contenu spécifique pour chaque instance (par exemple, 350 degrés pour 45 minutes pour un pain de seigle, mais 325 degrés pendant huit minutes pour les cookies). Une nouvelle étude fournit une nouvelle explication de la façon dont le cerveau gère distinctement les composants généraux et spécifiques de ces demandes cognitives.

La recherche, menée par des scientifiques du MIT Picower Institute for Learning and Memory, du Karolinska Institute et du KTH Royal Institute of Technology de Stockholm, en Suède, montre que le cerveau crée des espaces distincts dans le cortex pour chaque règle générale et contrôle ces patchs avec rythmes cérébraux, un concept que les auteurs appellent l’informatique spatiale. Ce système, évident dans les études expérimentales sur les animaux, explique comment le cerveau peut facilement maintenir une compréhension cohérente d’un processus même lorsque le contenu spécifique ne cesse de changer (comme le temps et la température du pain par rapport aux biscuits). Il répond également à quelques questions auxquelles les neuroscientifiques se sont penchés sur les opérations physiologiques qui sous-tendent la mémoire de travail.

Votre cerveau peut instantanément généraliser. Si je vous apprends à suivre certaines règles, comme mémoriser C, A et B et les mettre dans l’ordre alphabétique, puis que je change le contenu en F, D et E, vous ne manquerez pas un battement, dit Earl K. Miller, Picower Professeur au département des sciences cérébrales et cognitives du MIT, membre de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire et co-auteur principal de l’étude enCommunication Nature. Votre cerveau peut le faire car il représente les règles et le contenu à différentes échelles physiques. L’un peut simplement être branché sur l’autre.

Fonctionnement de la mémoire de travail

Des années de recherche par le laboratoire Millers, en grande partie dirigées par l’auteur principal Mikael Lundqvist qui est maintenant à Karolinska, ont montré que les tâches de mémoire de travail sont régies par une interaction des rythmes cérébraux à des fréquences distinctes. Les ondes bêta plus lentes transportent des informations sur les règles de la tâche et cèdent de manière sélective aux ondes gamma plus rapides lorsqu’il est temps d’exécuter des opérations telles que le stockage d’informations des sens ou leur lecture lorsqu’un rappel est nécessaire. Mais ces ondes opèrent sur des réseaux de millions de neurones, dont seule une poignée stocke réellement les informations individuelles pertinentes à un moment donné. De plus, les neurones qui transportent des informations sur des éléments spécifiques se trouvent partout. Certains deviennent plus excités électriquement, ou augmentent, en réponse à différentes règles de tâche que d’autres, et ils ont souvent tendance à augmenter au moins quelque peu même lorsque leurs informations ne sont pas pertinentes.

Alors, comment ces rythmes plutôt imprécis peuvent-ils contrôler sélectivement les bons neurones au bon moment pour faire les bonnes choses ? Pourquoi les neurones dont le pic se rapporte à des éléments spécifiques sont-ils dispersés et redondants ? Qu’est-ce qui fait qu’un neurone particulier à 350 degrés se redresse lorsque cette information doit être stockée, mais qu’un autre neurone avec cette information se redresse lorsqu’il doit être rappelé ?

Les chercheurs ont réalisé que toutes ces questions pouvaient être résolues par la théorie de l’informatique spatiale. Les neurones individuels représentant des éléments d’information peuvent être largement dispersés autour du cortex, mais la règle qui leur est appliquée est basée sur le patch du réseau dans lequel ils se trouvent. Ces patchs sont déterminés par le schéma des ondes bêta et gamma.

« En analysant un grand nombre de neurones uniques au fil des ans, nous nous sommes toujours demandé pourquoi tant d’entre eux semblaient se comporter de la même manière », explique Lundqvist. « Qu’ils préfèrent ou non le même stimulus externe, de nombreux neurones partageaient des schémas d’activité similaires pendant la mémoire de travail. Et ces schémas passaient d’une tâche à l’autre. Il est également apparu que les neurones plus proches les uns des autres dans le cortex préfrontal partageaient plus souvent le même Cela nous a fait penser que les représentations de la mémoire pourraient en fait circuler dynamiquement dans le cortex préfrontal pour implémenter des règles de tâche.

Supposons que votre ami vous appelle à la salle de sport pour vous demander de récupérer une montre qu’il a accidentellement laissée dans son casier. Cela nécessite de tourner les cadrans du cadenas vers les chiffres de la combinaison (par exemple, 24, 17, 32). L’informatique spatiale indique que lorsque vous entendez la combinaison, votre cerveau crée des patchs distincts pour chaque étape (première, deuxième, troisième). Dans chaque patch, les neurones représentant le nombre de combinaisons de cette étape particulière deviennent particulièrement excités par les ondes gamma appliquées au moment où la règle est pertinente (c’est-à-dire 24 dans le premier patch, 17 dans le deuxième patch et 32 ​​dans le troisième patch). De cette manière, des neurones individuels codant des éléments d’information spécifiques peuvent être sélectivement associés à des règles générales par les ondes cérébrales contrôlant les patchs qu’ils habitent. Dans un patch donné, tous les neurones peuvent être quelque peu excités par les ondes gamma, mais ceux représentant l’élément qui correspond à la règle seront les plus stimulés.

« De cette façon, les représentations de la mémoire pourraient être remodelées de manière dynamique pour s’adapter aux exigences des tâches actuelles, indépendamment de la façon dont les neurones individuels sont connectés ou du stimulus qu’ils préfèrent », explique le co-auteur principal Pawel Herman de KTH. « Cela peut expliquer nos impressionnantes capacités de généralisation dans de nouvelles situations. »

Cela ne veut pas dire qu’un correctif est définitivement fixé. Les patchs peuvent aller et venir aussi longtemps qu’ils sont nécessaires partout où le cerveau se trouve pour les former pour la tâche à accomplir. Il n’y a pas de patch permanent de température du four dans le cerveau.

Cela donne de la flexibilité au cerveau, a déclaré Miller. La cognition est une question de flexibilité.

Preuve expérimentale

Les chercheurs ne se contentaient pas de théoriser. Pour tester l’informatique spatiale dans de vrais cerveaux physiques, ils ont fait quatre prédictions expérimentales sur ce qu’ils devraient observer pendant que les animaux jouaient à des jeux de mémoire de travail tels que se souvenir d’un ensemble d’images dans un ordre.

La première prédiction était qu’il devrait y avoir des signaux neuronaux distincts concernant les règles et les informations sur les éléments individuels. En effet, l’équipe a mesuré que des rafales d’ondes transportaient des informations sur les règles. Les pics neuronaux individuels, quant à eux, comportaient un mélange d’éléments individuels et de règles de tâche, cohérents avec le fait qu’ils représentaient des éléments individuels et que des règles spécifiques leur étaient imposées.

La deuxième prédiction était que les informations sur les règles devaient être organisées dans l’espace, et la troisième prédiction était que ces modèles spatiaux d’application des règles devaient être cohérents tant que les règles du jeu restaient les mêmes, que les éléments individuels aient changé ou non. Effectivement, les chercheurs ont découvert qu’il y avait différents emplacements pour les sursauts gamma pour différentes règles et que ceux-ci restaient stables même lorsque les éléments individuels variaient au cours de chaque partie.

La prédiction finale était que l’activité des ondes cérébrales devrait provoquer une activité de pointe neuronale pour représenter la bonne information au bon moment. Cela s’est également reflété dans les observations expérimentales. Les chercheurs ont observé différents modèles d’ondes cérébrales lorsque le cerveau devait stocker des images en mémoire et lorsqu’il devait rappeler la bonne. En règle générale, les ondes bêta étaient plus réduites et les neurones dopés plus et dans une zone plus large pendant le rappel que pendant le stockage.

Le document ne répond pas à toutes les questions sur la mémoire de travail. Il n’est pas encore clair comment les neurones codant des informations spécifiques dans un patch pourraient être associés à leurs frères dans un autre patch, ou comment le cerveau contrôle les patchs. Des recherches supplémentaires peuvent répondre à ces questions supplémentaires sur les implications de la nouvelle théorie de l’informatique spatiale.

En plus de Miller, Lundqvist et Herman, les autres auteurs des articles sont Scott Brincat, Jonas Rose, Melissa Warden et Timothy Buschman.

Les bailleurs de fonds de l’étude comprennent l’Institut Picower et la Fondation JPB, le Conseil européen de la recherche, le Conseil suédois de la recherche, la Fondation de recherche sur le cerveau et le comportement, les National Institutes of Health et l’Office of Naval Research.