Distinct medial septal GABAergic pathways differentially regulate spatial memory and network activity

Pour naviguer dans le monde, le cerveau doit construire une carte fiable de son environnement et la mettre à jour instantanément au fur et à mesure de nos déplacements. Cette capacité, connue sous le nom de mémoire spatiale, repose sur une conversation complexe entre différentes régions du cerveau. Au cœur de ce système se trouve l'hippocampe, une structure située profondément dans le cerveau qui agit comme un carrefour central pour la localisation et le contexte. Il ne travaille pas seul ; il reçoit un flux constant de l'écorce entorhinale, une porte d'entrée qui filtre les informations sensorielles avant de les transmettre. Pour maintenir ce réseau synchronisé et fonctionner de manière fluide, un petit groupe de cellules dans le septum médial envoie des signaux rythmiques vers l'hippocampe et l'écorce entorhinale. Ces signaux agissent comme un chef d'orchestre, veillant à ce que l'activité électrique de cellules cérébrales distantes se déclenche en même temps les unes avec les autres. Sans cette coordination, le cerveau peine à former des souvenirs clairs de l'endroit où se trouvent les choses ou de la manière de les retrouver.

Pendant des années, les scientifiques savaient que le septum médial était essentiel à ce processus, mais ils ne comprenaient pas pleinement comment ses différentes parties contribuaient à des types spécifiques de mémoire. Les cellules de cette région ne sont pas toutes identiques ; certaines sont marquées par une protéine appelée parvalbumine, tandis que d'autres portent une protéine appelée calbindine. Les chercheurs soupçonnaient que ces deux groupes pouvaient avoir des fonctions différentes, l'un gérant peut-être l'aménagement à long terme d'un lieu tandis que l'autre gérait les détails immédiats d'un trajet. Cependant, comme ces cellules envoient des ramifications vers plusieurs destinations simultanément, il était impossible de déterminer si un échec de la mémoire était causé par un problème dans les cellules sources ou dans le chemin spécifique qu'elles empruntaient pour atteindre leur destination.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Heidelberg et du Centre allemand de recherche sur le cancer s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête en traçant les routes exactes empruntées par ces cellules. Ils se sont concentrés sur trois cibles spécifiques : l'hippocampe dorsal, crucial pour la mémoire spatiale générale, et deux sections de l'écorce entorhinale, connues sous les noms de régions médiale et latérale. En utilisant une technique précise, ils ont sélectivement réduit au silence les lignes de communication soit des cellules parvalbumine, soit des cellules calbindine, lorsqu'elles arrivaient à ces cibles spécifiques. Ils ont ensuite testé des souris sur un labyrinthe radial à huit bras, un puzzle classique où les animaux doivent se souvenir quels bras contiennent toujours de la nourriture et lesquels n'en contiennent jamais. Cette tâche a permis aux scientifiques de séparer deux compétences de mémoire distinctes : la mémoire de référence, qui est la connaissance des règles permanentes (comme « ce bras contient toujours de la nourriture »), et la mémoire de travail, qui est la capacité de suivre ce qui vient de se passer lors d'un seul trajet (comme « j'ai déjà mangé dans ce bras »).

Les résultats ont révélé une division claire du travail qui dépend entièrement de la destination du signal. Lorsque les chercheurs ont réduit au silence les cellules parvalbumine lorsqu'elles entraient dans l'hippocampe dorsal ou l'écorce entorhinale médiale, les souris commettaient nettement plus d'erreurs dans le souvenir des règles permanentes du labyrinthe. Elles s'aventuraient dans des bras qui ne contenaient jamais de nourriture, montrant une perte de mémoire de référence. Cependant, leur capacité à suivre leurs mouvements récents au cours d'un seul essai restait intacte. En revanche, lorsque les cellules calbindine étaient réduites au silence lorsqu'elles entraient dans l'écorce entorhinale médiale, les souris éprouvaient des difficultés avec les deux types de mémoire. Elles oubliaient les règles permanentes et échouaient également à se souvenir des bras qu'elles venaient de visiter, indiquant une défaillance de la mémoire de travail. Curieusement, le fait de réduire au silence l'un ou l'autre type de cellule lorsqu'elles entraient dans l'écorce entorhinale latérale n'avait aucun effet sur la performance des souris, suggérant que ce chemin spécifique n'est pas critique pour ce type de tâche spatiale.

L'étude a également examiné les rythmes électriques qui accompagnent ces mémoires. Les chercheurs ont enregistré les ondes cérébrales dans l'écorce entorhinale médiale et ont constaté que le silence imposé aux cellules parvalbumine provoquait une baisse de la force du rythme thêta du cerveau, une oscillation régulière qui aide à organiser l'activité neuronale. Le silence imposé aux cellules calbindine, quant à lui, ne modifiait pas du tout ce rythme. Cette découverte suggère que, bien que les deux types de cellules soient nécessaires à la mémoire, ils y parviennent par des mécanismes différents. Les cellules parvalbumine semblent agir comme une horloge maîtresse, générant les ondes rythmiques qui maintiennent la synchronisation du réseau. Les cellules calbindine, en revanche, semblent soutenir la mémoire par un processus différent qui ne repose pas sur la génération de ces ondes cérébrales spécifiques.

Ces découvertes affinent notre compréhension de la manière dont le cerveau construit la mémoire. Il ne s'agit pas d'un système unique et uniforme où tous les signaux sont traités de la même façon. Au contraire, le cerveau utilise des voies distinctes pour gérer différents aspects de la navigation spatiale. La voie de la parvalbumine vers l'hippocampe et l'écorce entorhinale médiale fournit le cadre rythmique et les règles à long terme de l'environnement. La voie de la calbindine vers l'écorce entorhinale médiale ajoute une couche de suivi immédiat et flexible qui permet à un animal de mettre à jour sa position en temps réel. En démontrant que ces deux systèmes fonctionnent indépendamment et ciblent différentes fonctions mémorielles, cette recherche souligne la spécialisation complexe requise pour que le cerveau nous guide à travers le monde. Elle suggère que la mémoire n'est pas seulement une question d'avoir une carte, mais d'avoir différents outils pour lire cette carte, que l'on cherche un point de repère permanent ou que l'on suive son dernier pas.