Dans un monde en constante évolution, la flexibilité et l’adaptation sont des qualités que l’on met en pratique tous les jours. Modifier des comportements familiers en réponse à de nouvelles situations, comme dans le cas d’un nouveau chantier qui vous oblige à changer d’itinéraire ou pour retrouver votre émission préférée après avoir téléchargé une nouvelle application de diffusion en continu, est une compétence essentielle.
Pour réaliser ces adaptations, votre cerveau modifie ses schémas d’activité au sein d’une structure appelée cortex préfrontal, une zone du cerveau essentielle pour les fonctions cognitives telles que l’attention, la planification et la prise de décision. Mais on ignore quels circuits précis « demandent » au cortex préfrontal d’actualiser ses schémas afin de modifier le comportement.
Notre équipe de neuroscientifiques, étudie la manière dont le cerveau traite les informations et ce qui se passe lorsque cette fonction est altérée. Dans nos recherches récemment publiées, nous avons découvert une catégorie particulière de neurones dans le cortex préfrontal qui pourrait permettre une flexibilité du comportement et qui, lorsqu’ils présentent des dysfonctionnements, risquent de mener à des pathologies telles que la schizophrénie et les troubles bipolaires.
Les neurones inhibiteurs et l’apprentissage de nouvelles règles
Les neurones inhibiteurs atténuent l’activité d’autres neurones dans le cerveau. Jusqu’à présent, les chercheurs considéraient que ces neurones n’envoyaient leurs signaux électriques et chimiques qu’aux neurones situés à proximité. Cependant, nous avons découvert une catégorie particulière de neurones inhibiteurs dans le cortex préfrontal qui communiquent sur de longues distances avec ceux de l’hémisphère opposé du cerveau.
Nous nous sommes demandé si ces connexions inhibitrices à longue portée participaient à la coordination des changements dans les schémas d’activité des cortex préfrontaux gauche et droit. Ce faisant, ils pourraient fournir les signaux cruciaux qui vous aideraient à modifier votre comportement au bon moment.
Pour tester la fonction de ces connexions inhibitrices à longue portée, nous avons observé des souris effectuant une tâche qui leur exigeait 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 pour les souris à creuser dans des bols pour y trouver de la nourriture cachée. Au départ, une odeur d’ail ou la présence de sable dans un bol peuvent indiquer l’emplacement de la nourriture cachée. L’indice caractéristique associé à la récompense change ensuite, ce qui oblige les souris à apprendre une nouvelle règle.
Nous avons découvert que la suppression des connexions inhibitrices à longue portée entre les cortex préfrontaux gauche et droit provoquait chez les souris un blocage, ou une persévérance, vis-à-vis d’une règle, et les empêchait d’en apprendre de nouvelles. Elles n’ont pas été capables de modifier leur stratégie et d’apprendre que l’ancien repère n’avait plus de sens et que le nouveau repère indiquait la présence de nourriture.
Les ondes cérébrales et la flexibilité comportementale
Nous avons également fait des découvertes surprenantes sur la manière dont ces connexions inhibitrices à longue portée créent une flexibilité comportementale. Plus précisément, elles synchronisent un ensemble d’« ondes cérébrales » appelées oscillations gamma dans les deux hémisphères. Ce sont des fluctuations rythmiques de l’activité cérébrale qui se produisent environ 40 fois par seconde. Ces fluctuations peuvent être détectées pour de nombreuses fonctions cognitives, par exemple lorsque vous effectuez une tâche qui nécessite de garder des informations en mémoire ou de faire différents mouvements selon les informations affichées sur l’écran d’un ordinateur.
Bien que les scientifiques aient observé la présence d’oscillations gamma depuis plusieurs décennies, leur fonction est controversée. Beaucoup de chercheurs pensent que la synchronisation de ces fluctuations rythmiques dans diverses régions du cerveau n’a aucune utilité. D’autres ont émis l’hypothèse que cette synchronisation entre différentes régions du cerveau améliorait la communication entre ces régions.
Nous avons trouvé un rôle potentiel complètement nouveau 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.
Quand 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 des hémisphères de maintenir des modèles d’activité inutiles dans l’autre hémisphère. En d’autres termes, les connexions inhibitrices à longue portée semblent éviter que les données provenant d’un hémisphère ne « se mettent en travers » de celles de l’autre hémisphère lorsque ce dernier essaie d’apprendre quelque chose de nouveau.
Par exemple, le cortex préfrontal gauche peut « remémorer » au 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 nouveau trajet de se mettre en place.
Enfin, ces connexions inhibitrices à longue portée déclenchent aussi 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, la stimulation rythmique de ces connexions pour synchroniser artificiellement les oscillations gamma peut inverser ces déficits et rétablir 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 les maladies affectives bipolaires.
La recherche a également mis en évidence des déficiences dans la synchronisation gamma et des anomalies dans une catégorie de neurones inhibiteurs préfrontaux, dont ceux que nous avons étudiés, chez les personnes souffrant de schizophrénie. Dans ce contexte, notre étude suggère que les traitements qui ciblent ces connexions inhibitrices à longue portée peuvent contribuer à améliorer la cognition chez les individus atteints de schizophrénie en synchronisant les oscillations gamma.
De nombreux détails sur la manière dont ces connexions affectent les circuits cérébraux demeurent 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 ignorons également s’il existe des voies moléculaires particulières qui produisent des changements durables dans l’activité neuronale.
La réponse à ces questions pourrait dévoiler la façon dont le cerveau passe avec souplesse de la conservation à la mise à jour d’informations anciennes, et conduire éventuellement à de nouveaux traitements de la schizophrénie et d’autres maladies psychiatriques.