Basolateral amygdala neurons await oscillatory recruitment into valence-relevant ensembles

La capacité du cerveau à décider si une situation est sûre ou dangereuse est une question de vie ou de mort. Ce processus, connu sous le nom de traitement de la valence, permet à un animal de qualifier rapidement une expérience de bonne ou de mauvaise, puis d'agir en conséquence, soit en s'approchant d'une récompense, soit en fuyant une menace. Bien que ce mécanisme de survie soit essentiel, les scientifiques peinent depuis longtemps à comprendre la machinerie électrique précise qui le rend possible. Pendant des années, la recherche s'est concentrée sur deux indices distincts. Une ligne d'enquête examinait des groupes spécifiques de neurones, appelés ensembles, qui s'illuminent lorsqu'un animal apprend quelque chose de terrifiant ou quelque chose de gratifiant. Une autre ligne d'enquête examinait les ondes électriques rythmiques qui traversent le cerveau, connues sous le nom d'oscillations, qui changent de vitesse selon que l'animal ressent de la peur ou de la sécurité. Jusqu'à présent, ces deux indices étaient restés déconnectés. Les chercheurs savaient que des cellules cérébrales spécifiques étaient impliquées dans l'apprentissage et que des ondes cérébrales spécifiques étaient impliquées dans les états émotionnels, mais ils ne savaient pas comment les ondes recrutaient réellement les bonnes cellules pour faire le travail.

Une équipe de chercheurs de la Tufts University School of Medicine a désormais comblé ce fossé en montrant comment ces ondes rythmiques agissent comme un chef d'orchestre, sélectionnant des groupes spécifiques de neurones pour participer aux souvenirs émotionnels. Ils se sont concentrés sur une région du cerveau appelée amygdale basolatérale, un centre critique pour le traitement des émotions. En utilisant des outils avancés pour observer les cellules cérébrales en temps réel et pour les stimuler avec des rythmes électriques précis, l'équipe a découvert que les neurones individuels ne sont pas seulement des participants passifs. Au lieu de cela, ils possèdent une sensibilité inhérente à des fréquences spécifiques d'activité électrique. Tout comme un récepteur radio est réglé pour capter une station tout en ignorant les autres, ces cellules cérébrales sont naturellement réglées pour répondre à des motifs rythmiques spécifiques. Les chercheurs ont découvert que lorsque le cerveau génère un rythme lent associé à la peur, il recrute un ensemble spécifique de neurones qui projettent vers des zones contrôlant l'évitement. Lorsqu'un rythme plus rapide associé à la sécurité est généré, un autre ensemble de neurones est recruté pour stimuler les comportements d'approche.

Pour découvrir ce mécanisme, les scientifiques ont d'abord dû confirmer que différents types d'apprentissage émotionnel utilisent réellement différents groupes de neurones. Ils ont entraîné des souris à craindre un environnement spécifique, puis à désapprendre cette peur par un processus appelé extinction. En suivant l'activité des neurones qui envoient des signaux à différentes parties du cerveau, ils ont observé que les neurones impliqués dans la réponse de peur initiale étaient distincts de ceux impliqués dans l'apprentissage que le danger avait disparu. Cela a confirmé que le cerveau utilise des équipes de cellules séparées pour des états émotionnels opposés. Cependant, la question restait : qu'est-ce qui dit à ces équipes spécifiques de se lever et de passer à l'action ?

L'équipe s'est tournée vers l'idée que les cellules inhibitrices, qui agissent comme les freins du cerveau, pourraient être celles qui fixent le rythme. Ils ont utilisé une technique appelée optogénétique, qui permet de contrôler les cellules cérébrales avec de la lumière, pour stimuler ces cellules inhibitrices dans l'amygdale. En projetant de la lumière sur ces cellules à un rythme lent de 4 fois par seconde, ils ont imité l'état cérébral associé à la peur. Lorsqu'ils ont projeté la lumière à un rythme plus rapide de 8 fois par seconde, ils ont imité l'état associé à la sécurité. Ils ont ensuite observé le reste des cellules cérébrales pour voir qui répondait. Les résultats étaient clairs et précis. Le rythme lent activait un groupe spécifique de neurones, tandis que le rythme rapide activait un groupe complètement différent. Certaines cellules répondaient aux deux, mais beaucoup étaient hautement sélectives, s'activant uniquement lorsque le rythme correspondait à leur réglage interne.

Les chercheurs ont ensuite voulu savoir si ce réglage était quelque chose que les cellules possédaient dès la naissance ou si c'était appris. Ils ont mesuré les propriétés électriques de neurones individuels dans une boîte de culture pour voir comment ils réagissaient à une gamme de fréquences balayée. Ils ont découvert que les neurones préféraient naturellement certaines fréquences, indépendamment du fait que l'animal ait déjà vécu la peur ou la sécurité auparavant. Cela suggère que le cerveau est construit avec une bibliothèque de cellules pré-réglées, attendant le bon signal rythmique pour les mettre en ligne. Les cellules inhibitrices agissent comme l'interrupteur, générant le rythme qui sélectionne la bonne équipe parmi la bibliothèque pour gérer la situation émotionnelle actuelle.

Pour prouver que ce mécanisme fonctionne dans un animal vivant et en comportement, l'équipe a combiné ces techniques. Ils ont d'abord marqué les neurones qui étaient actifs pendant une expérience de peur ou une expérience de sécurité. Plus tard, ils ont stimulé les cellules inhibitrices avec de la lumière aux fréquences correspondantes. Lorsqu'ils ont stimulé le cerveau à la fréquence de la « peur », ils ont constaté que les neurones initialement marqués lors de l'expérience de peur étaient réactivés. Lorsqu'ils ont utilisé la fréquence de la « sécurité », les neurones marqués lors de l'expérience de sécurité ont été réactivés. Cela a démontré que l'état rythmique du cerveau n'est pas seulement un effet secondaire de l'émotion, mais une cause directe qui réengage les circuits neuronaux spécifiques responsables de cette émotion.

L'étude a également examiné où ces neurones envoient leurs signaux. Les neurones qui projettent vers une région impliquée dans la paralysie (freezing) et l'évitement étaient plus susceptibles d'être recrutés par le rythme lent lié à la peur. Les neurones qui projettent vers des régions impliquées dans la récompense et l'exploration étaient plus susceptibles d'être recrutés par le rythme plus rapide lié à la sécurité. Cela fournit une image complète de la manière dont le cerveau route l'information : les cellules inhibitrices génèrent un rythme, ce rythme sélectionne un groupe spécifique de neurones basé sur leurs préférences de fréquence naturelles, et ces neurones envoient ensuite des signaux aux parties appropriées du cerveau pour produire le comportement correct.

Ce travail offre une nouvelle façon de comprendre comment le cerveau gère des états émotionnels complexes. Il suggère que le cerveau n'a pas besoin de se recâbler chaque fois qu'un animal rencontre une nouvelle situation. Au lieu de cela, il repose sur un système dynamique où le rythme du réseau détermine quels outils préexistants sont utilisés. Les découvertes ont également des implications pour la compréhension des conditions psychiatriques où ce système pourrait rester bloqué dans un état, comme dans le cas du trouble de stress post-traumatique, où le cerveau peut être incapable de sortir d'un rythme de peur. En comprenant que ces rythmes sont la clé du recrutement des bonnes cellules, les scientifiques pourraient un jour développer des traitements pour aider le cerveau à réinitialiser son rythme et à restaurer la capacité d'apprendre la sécurité. La recherche confirme que la vie émotionnelle du cerveau ne dépend pas seulement de quelles cellules sont actives, mais de la précision du timing et du rythme qui les rassemblent.