Découvrez comment le cerveau crée de nouveaux souvenirs, préservant les anciens

Les scientifiques ont développé un nouveau modèle mathématique qui aide à expliquer comment la complexité biologique du cerveau humain lui permet d'établir de nouveaux souvenirs sans effacer les anciens.

Les processus du cerveau humain sont si complexes que les scientifiques ont développé des modèles mathématiques afin de les comprendre pleinement. (Source : Pixabay)

Une nouvelle étude montre comment notre cerveau crée de nouveaux souvenirs, sans effacer les plus anciens.

Des scientifiques de Columbia ont développé un nouveau modèle mathématique qui aide à expliquer comment la complexité biologique du cerveau humain lui permet de créer de nouveaux souvenirs sans effacer les anciens, illustrant comment le cerveau maintient la fidélité des souvenirs pendant des années, des décennies ou même toute une vie.

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Ce modèle pourrait aider les neuroscientifiques à concevoir des études plus ciblées de la mémoire, et également stimuler les progrès du matériel neuromorphique, des systèmes informatiques puissants inspirés du cerveau humain.

Le cerveau reçoit, organise et stocke continuellement des souvenirs. Ces processus, qui ont été étudiés dans d'innombrables expériences, sont si complexes que les scientifiques ont développé des modèles mathématiques afin de les comprendre pleinement, a déclaré Stefano Fusi, auteur principal de l'article. Le modèle que nous avons développé explique enfin pourquoi la biologie et la chimie sous-jacentes à la mémoire sont si complexes, et comment cette complexité stimule la capacité du cerveau à se souvenir.

On pense généralement que les souvenirs sont stockés dans des synapses, de minuscules structures à la surface des neurones. Ces synapses agissent comme des conduits, transmettant les informations contenues dans des impulsions électriques qui passent normalement de neurone à neurone. Dans les premiers modèles de mémoire, la force des signaux électriques qui traversaient les synapses était comparée à un bouton de volume sur une chaîne stéréo ; il augmentait (ou diminuait pour diminuer) la force de connexion entre les neurones. Cela a permis la formation de souvenirs.

Ces modèles fonctionnaient extrêmement bien, car ils représentaient une énorme capacité de mémoire. Mais ils ont également posé un dilemme intrigant.

Le problème avec un modèle simple de type cadran du fonctionnement des synapses était qu'il était supposé que leur force pouvait être augmentée ou diminuée indéfiniment, a déclaré le Dr Fusi, ajoutant : Mais dans le monde réel, cela ne peut pas arriver. Qu'il s'agisse du bouton de volume d'une chaîne stéréo ou de tout autre système biologique, il doit y avoir une limite physique à ce qu'il peut tourner.

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Lorsque ces limites ont été imposées, la capacité de mémoire de ces modèles s'est effondrée.

Ainsi, le Dr Fusi, en collaboration avec un autre chercheur du Zuckerman Institute, Larry Abbot, a proposé une alternative. Chaque synapse est plus complexe qu'un seul cadran et devrait plutôt être décrite comme un système à plusieurs cadrans.

En 2005, les Drs Fusi et Abbott ont publié des recherches expliquant cette idée. Ils ont décrit comment différents cadrans au sein d'une synapse pouvaient fonctionner en tandem pour former de nouveaux souvenirs tout en protégeant les anciens. Mais même ce modèle, les auteurs ont réalisé plus tard, n'était pas à la hauteur de ce qu'ils pensaient que le cerveau, en particulier le cerveau humain, pouvait contenir.

Nous avons réalisé que les différents composants synaptiques, ou cadrans, non seulement fonctionnaient à différentes échelles de temps, mais communiquaient également probablement entre eux, a déclaré Marcus Benna, le premier auteur de l'article d'aujourd'hui sur Nature Neuroscience. Une fois que nous avons ajouté la communication entre les composants à notre modèle, la capacité de stockage a augmenté d'un facteur énorme, devenant beaucoup plus représentative de ce qui est réalisé à l'intérieur du cerveau vivant.

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Le Dr Benna a comparé les composants de ce nouveau modèle à un système de béchers reliés les uns aux autres par une série de tubes.

Dans un ensemble de béchers interconnectés, chacun rempli de différentes quantités d'eau, le liquide aura tendance à s'écouler entre eux de telle sorte que les niveaux d'eau s'égalisent. Dans notre modèle, les béchers représentent les différents composants d'une synapse, a expliqué le Dr Benna. Ajouter du liquide dans l'un des béchers ou en retirer une partie représente l'encodage de nouveaux souvenirs. Au fil du temps, le flux de liquide résultant va diffuser à travers les autres béchers, correspondant au stockage à long terme des souvenirs.

Les deux chercheurs espèrent que ce travail pourra aider les neuroscientifiques du laboratoire, en servant de cadre théorique pour guider les futures expériences, conduisant finalement à une caractérisation plus complète et plus détaillée du cerveau.

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Bien que la base synaptique de la mémoire soit bien acceptée, en grande partie grâce aux travaux du lauréat du prix Nobel et codirecteur de l'Institut Zuckerman, le Dr Eric Kandel, il a été extrêmement difficile de clarifier comment les synapses soutiennent les souvenirs pendant de nombreuses années sans dégradation, a déclaré le Dr Abbott. Les Drs Benna et Fusi devraient servir de guide aux chercheurs explorant la complexité moléculaire de la synapse.

Les implications technologiques de ce modèle sont également prometteuses. Le Dr Fusi est depuis longtemps intrigué par le matériel neuromorphique, des ordinateurs conçus pour imiter un cerveau biologique.

Aujourd'hui, le matériel neuromorphique est limité par la capacité de mémoire, qui peut être catastrophiquement faible lorsque ces systèmes sont conçus pour apprendre de manière autonome, a déclaré le Dr Fusi. Créer un meilleur modèle de mémoire synaptique pourrait aider à résoudre ce problème, en accélérant le développement de dispositifs électroniques qui sont à la fois compact et économe en énergie et tout aussi puissant que le cerveau humain.

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Cet article intitulé Computational Principles of synaptic memory consolidation est publié en ligne dans Nature Neuroscience.

L'article ci-dessus est à titre informatif uniquement et n'est pas destiné à se substituer à un avis médical professionnel. Demandez toujours conseil à votre médecin ou à un autre professionnel de la santé qualifié pour toute question que vous pourriez avoir concernant votre santé ou un problème de santé.