La capacité du cerveau à percevoir l’espace se développe comme l’univers

La capacité du cerveau à percevoir l’espace se développe comme l’univers

Les chercheurs de Salk découvrent que les réseaux de neurones responsables de la perception spatiale changent de manière non linéaire et peuvent avoir des implications pour les troubles neurodégénératifs comme la maladie d’Alzheimer

LA JOLLA—Les jeunes enfants croient parfois que la lune les suit, ou qu’ils peuvent tendre la main et la toucher. Il semble être beaucoup plus proche que n’est proportionnel à sa distance réelle. Lorsque nous nous déplaçons dans notre vie quotidienne, nous avons tendance à penser que nous naviguons dans l’espace de manière linéaire. Mais les scientifiques de Salk ont ​​découvert que le temps passé à explorer un environnement provoque une croissance surprenante des représentations neuronales.

De nouvelles expériences sont absorbées dans les représentations neuronales au fil du temps, symbolisées ici par un sablier hyperboloïde.
De nouvelles expériences sont absorbées dans les représentations neuronales au fil du temps, symbolisées ici par un sablier hyperboloïde.
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Crédit : Institut Salk

Les conclusions, publiées dans Neurosciences naturelles le 29 décembre 2022, montrent que les neurones de l’hippocampe essentiels à la navigation spatiale, à la mémoire et à la planification représentent l’espace d’une manière conforme à une géométrie hyperbolique non linéaire – une étendue tridimensionnelle qui croît de façon exponentielle. (En d’autres termes, il a la forme de l’intérieur d’un sablier en expansion.) Les chercheurs ont également découvert que la taille de cet espace augmentait avec le temps passé dans un endroit. Et la taille augmente de manière logarithmique qui correspond à l’augmentation maximale possible des informations traitées par le cerveau.

Cette découverte fournit des méthodes précieuses pour analyser les données sur les troubles neurocognitifs impliquant l’apprentissage et la mémoire, comme la maladie d’Alzheimer.

« Notre étude démontre que le cerveau n’agit pas toujours de manière linéaire. Au lieu de cela, les réseaux de neurones fonctionnent le long d’une courbe en expansion, qui peut être analysée et comprise à l’aide de la géométrie hyperbolique et de la théorie de l’information », explique le professeur Salk. Tatiana Sharpeetitulaire de la chaire Edwin K. Hunter, qui a dirigé l’étude. “Il est passionnant de voir que les réponses neuronales dans cette zone du cerveau ont formé une carte qui s’est élargie avec l’expérience en fonction du temps consacré à un endroit donné. L’effet s’est même maintenu pour de minuscules déviations dans le temps lorsque l’animal courait plus lentement ou plus vite dans l’environnement.

Le laboratoire de Sharpee utilise des approches informatiques avancées pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau. Ils ont récemment été les pionniers de l’utilisation de la géométrie hyperbolique pour mieux comprendre les signaux biologiques tels que les molécules olfactives, ainsi que la perception de l’odeur.

Dans l’étude actuelle, les scientifiques ont découvert que la géométrie hyperbolique guidait également les réponses neuronales. Des cartes hyperboliques de molécules et d’événements sensoriels sont perçues avec des cartes neuronales hyperboliques. Les représentations spatiales se sont développées dynamiquement en corrélation avec le temps passé par le rat à explorer chaque environnement. Et, lorsqu’un rat se déplaçait plus lentement dans un environnement, il obtenait plus d’informations sur l’espace, ce qui augmentait encore plus les représentations neuronales.

De gauche à droite : Huanqiu Zhang et Tatyana Sharpee
De gauche à droite : Huanqiu Zhang et Tatyana Sharpee
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Crédit : Institut Salk

“Les résultats offrent une nouvelle perspective sur la façon dont les représentations neuronales peuvent être modifiées avec l’expérience”, explique Huanqiu Zhang, un étudiant diplômé du laboratoire de Sharpee. “Les principes géométriques identifiés dans notre étude peuvent également guider les efforts futurs pour comprendre l’activité neuronale dans divers systèmes cérébraux.”

“On pourrait penser que la géométrie hyperbolique ne s’applique qu’à une échelle cosmique, mais ce n’est pas vrai”, déclare Sharpee. « Notre cerveau fonctionne beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière, ce qui pourrait être une raison pour laquelle des effets hyperboliques sont observés sur des espaces saisissables au lieu d’espaces astronomiques. Ensuite, nous aimerions en savoir plus sur la façon dont ces représentations hyperboliques dynamiques dans le cerveau se développent, interagissent et communiquent entre elles.

Parmi les autres auteurs figurent P. Dylan Rich de l’Université de Princeton et Albert K. Lee du Janelia Research Campus du Howard Hughes Medical Institute.

La recherche a été soutenue par un prix AHA-Allen Initiative in Brain Health and Cognitive Impairment décerné conjointement par l’American Heart Association et le Paul G. Allen Frontiers Group (19PABH134610000), la Dorsett Brown Foundation, la Mary K. Chapman Foundation, un Aginsky Fellowship, la National Science Foundation (IIS-1724421), le National Science Foundation Next Generation Networks for Neuroscience Program (Award 2014217), les National Institutes of Health (U19NS112959 et P30AG068635) et le Howard Hughes Medical Institute.

EST CE QUE JE: 10.1038/s41593-022-01212-4

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