Dr. Michael Zugaro

Nos recherches concernent les mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent les fonctions cognitives, et notre modèle expérimental est la mémoire spatiale chez le rat. Nous enregistrons l'activité de vastes ensembles de neurones pendant que des rats effectuent des tâches d'apprentissage, ainsi que pendant le sommeil. Nos travaux combinent donc plusieurs approches complémentaires : comportement animal, électrophysiologie, traîtement du signal et analyses de données.

Pour se déplacer efficacement dans leur environnement, les hommes et les animaux ont recours à diverses stratégies plus ou moins complexes, depuis la répétition d'actes moteurs stéréotypés, jusqu'à l'utilisation de représentations spatiales flexibles et robustes. Chez le rat, ces représentations sont sous-tendues par au moins trois grands systèmes neuraux complémentaires : les cellules de lieu et les cellules de grille, qui codent la position de l'animal dans son environnement, ainsi que les cellules de direction de la tête, qui codent son orientation. À terme, l'étude de ces systèmes chez le rat nous aidera à mieux comprendre le fonctionnement de la mémoire humaine : en effet, des travaux récents commencent à mettre en évidence des mécanismes similaires chez les rongeurs, les singes et l'homme.

Notre approche expérimentale consiste à enregistrer mais aussi à perturber dynamiquement l'activité de structures cérébrales impliquées dans l'élaboration des représentations spatiales pour mieux comprendre leur fonctionnement. Nous nous intéressons notamment au rôle des oscillations dans les réseaux cérébraux : en particulier, le rythme thêta (~ 8 Hz) pendant l'exploration, et les ondulations (~ 200 Hz) pendant le sommeil à ondes lentes. Une fonction majeure de ces oscillations serait d'organiser et de coordonner l'activité d'ensembles de neurones anatomiquement distribués. Cette organisation spatio-temporelle pourrait être primordiale pour le codage mais aussi pour le stockage des informations.

Lorsqu'un rat explore son environnement, différents sous-ensembles de cellules de lieu s'activent les uns après les autres, en séquences, à mesure que le rat parcourt une trajectoire donnée. Mais alors qu'il faut au rat plusieurs secondes pour parcourir cette trajectoire, les cellules de lieu s'activent bien plus rapidement : une séquence typique dure à peine une centaine de millisecondes, c'est-à-dire un cycle thêta. Par conséquent, au sein de chaque cycle thêta, les cellules de lieu codent tour à tour la position passée, présente et future du rat. Peut-être cela lui permet-il de planifier ses déplacements ? Le premier volet de nos travaux expérimentaux a pour but de comprendre comment les cellules de lieu s'organisent en séquences et quel rôle joue le rythme thêta.

Après l'exploration, au cours du sommeil à ondes lentes, les cellules de lieu se réactivent spontanément pendant les ondulations, et reproduisent de manière endogène les trajectoires parcourues pendant l'éveil (comme si le rat rêvait qu'il explore son environnement). On pense que ces réactivations permettraient le transfert des informations vers d'autres zones du cortex pour assurer un stockage à long terme. Le second volet de nos travaux concerne ce renforcement de la mémoire pendant le sommeil. Nous avons ainsi récemment montré que la simple suppression très sélective des ondulations et des réactivations associées pendant le sommeil provoquait des déficits significatifs de mémoire. Ce résultat nous a permis de confirmer pour la première fois une théorie fondatrice de la formation de la mémoire à long terme, proposée il y a vingt ans, mais encore jamais validée.