Cartes cognitives et GPS cérébral

Comment parvenons-nous à nous localiser dans un environnement donné et à trouver le chemin qui nous conduira vers une destination à atteindre ? Cette double capacité est étroitement liée à la mémoire spatiale, laquelle sert de support à l’élaboration d’une «carte cognitive» de l’environnement au sein duquel nous sommes en train de nous déplacer. Avant les travaux d’Edward Tolman, professeur à l’Université de Californie à Berkeley, les recherches entreprises sur des rats placés dans un labyrinthe semblaient révéler que l’animal se dirigeait en se fondant sur un ensemble de stimulus-réponses présents le long de son parcours. Ainsi, les chercheurs pensaient que le rat mémorisait un ensemble de chemins effectués entre le point de départ et le point d’arrivée lors de précédentes tentatives de navigation. Cette théorie se mit à vaciller sur son piédestal en 1948 quand, se référant à une expérience qu’il avait réalisée en 1930, Tolman proposa une approche radicalement nouvelle.

Comme l’écrit le docteur Laure Rondi-Reig, directrice de recherche au CNRS et responsable de l’équipe CeZaMe (Cervelet, navigation et mémoire) au sein du Laboratoire Neuroscience Paris Seine (1), «Tolman montra (en 1930) que des rats habitués à chercher de la nourriture dans un labyrinthe par un chemin court étaient capables, lorsque ce chemin était bloqué, de choisir celui permettant de contourner le blocage (2)». Fort de ce constat, Tolman proposa le concept de carte cognitive pour désigner une représentation mentale de l’environnement, qui rendrait l’animal à même d’adapter son comportement au monde extérieur pour s’orienter.

Le cerveau demeurait néanmoins une boîte noire et l’on ignorait tout des processus cérébraux auxquels seraient chevillées la mémoire spatiale et la construction de cartes cognitives. En recourant à des enregistrements intracérébraux au moyen de microélectrodes implantées autorisant la mesure de l’activité cérébrale à l’échelle d’une seule cellule nerveuse, le professeur américano-britannique John O’Keefe (University College London) et son étudiant, Jonathan Dostrovsky, découvrirent, dans l’hippocampe du rat et de la souris, des neurones particuliers qu’ils baptisèrent «place cells» – cellules de lieu, en français. Ils avaient observé que chaque fois que l’animal passait à un endroit bien défini au cours de l’exploration de son environnement, la même cellule s’activait. Le territoire visité sera ainsi mentalement représenté grâce à un ensemble de cellules de lieu. Et si l’animal réintégrait cet environnement après l’avoir quitté, les mêmes neurones déchargeaient à nouveau aux mêmes endroits. «On pouvait donc affirmer que le rat (ou la souris) possède une mémoire des lieux qu’il (ou elle) a visités», commente Laure Rondi-Reig.

À chaque endroit, sa cellule de lieu, pourrait-on dire. En d’autres termes, chacun des neurones hippocampiques remplissant une fonction de localisation produit un potentiel d’action en réponse à une position particulière du rat dans son environnement. Cette augmentation d’activité informe le rongeur de l’endroit où il se trouve. Le terme «endroit» correspond ici à la notion de champ récepteur (nommé «champ de lieu» par O’Keefe) de la cellule de lieu, c’est-à-dire à la zone spécifique de l’environnement qui induit l’activation neuronale. «Le codage de l’espace, lui, est l’œuvre des différentes cellules de lieu travaillant en assemblée neuronale», précise la responsable de l’équipe CeZaMe.

La découverte de John O’Keefe et Jonathan Dostrovsky était parfaitement en phase avec le concept de carte cognitive. Aussi le neuroscientifique américano-britannique écrivit-il avec Lynn Nadel (département de psychologie de l’Université de l’Arizona), un livre intitulé The Hippocampus as a cognitive map, dont la parution en 1978 eut un important retentissement. Les 2 auteurs y défendaient l’idée que l’hippocampe apprend et stocke des cartes cognitives de parties de l’espace; ils postulaient donc l’existence d’une représentation mentale de l’environnement. Balisant la voie, cet ouvrage fut le germe d’une floraison de recherches scientifiques sur la mémoire et la navigation spatiales, d’autant qu’une information de position est une chose, mais que naviguer entre 2 points en est une autre qui, ainsi que le souligne le docteur Rondi-Reig, nécessite un substrat neuronal plus diversifié, dont les structures, au-delà de l’hippocampe, communiquent sur le but à atteindre et les chemins à prendre.

On aurait pu penser que les cellules de lieu étaient inféodées à des stimuli visuels. On sait aujourd’hui qu’il n’en est rien, qu’elles répondent à d’autres stimulations sensorielles, tels des informations de mouvements propres, des objets ou des odeurs susceptibles d’aider à se localiser.

En 1984, Jim Ranck, du SUNY Downstate Medical Center de l’Université de New York, mit en évidence une deuxième catégorie de neurones impliqués dans l’orientation spatiale: les cellules de direction de la tête (HD), dont l’activité dépend, comme leur nom l’indique, de la direction de la tête de l’animal. Elles ont été beaucoup étudiées par l’équipe de Jeff Taube, du Darmouth College aux États-Unis. Jim Ranck les a découvertes dans le présubiculum, région corticale de transition entre l’hippocampe et le néocortex. Par la suite, il est apparu qu’elles étaient présentes dans un nombre important de régions cérébrales interconnectées. Un ensemble de cellules HD codera pour une direction spécifique, un autre ensemble pour une autre direction, etc. Bref, lorsque la tête de l’animal est orientée dans une direction déterminée, un groupe de cellules HD déchargent à un niveau dépassant les niveaux de référence. 

Une autre découverte majeure fut réalisée en 2005 par le couple de chercheurs norvégiens May-Britt Moser et Edvard Moser, lesquels partagèrent le prix Nobel de médecine ou physiologie avec John O’Keefe en 2014. Les 2 neuroscientifiques scandinaves mirent le doigt sur des cellules particulières du cortex entorhinal médian dont l’activité varie en fonction des déplacements du rat, est en corrélation avec sa position dans l’espace: les cellules de grille (grid cells, en anglais). En 1999, Sofyan Alyan et Bruce McNaughton avaient montré que le rat demeure capable d’intégrer un chemin en dépit d’une lésion de l’hippocampe, mais qu’il en est incapable en cas de lésion du cortex entorhinal médian. D’où l’idée que les cellules de grille seraient indispensables à l’intégration de chemin. De fait, pour s’orienter, il faut savoir où l’on est, dans quelle direction l’on va, mais aussi être capable de mesurer ses déplacements. «Les cellules de grille sont des neurones qui permettent une estimation métrique de ses déplacements», précise Laure Rondi-Reig.

Ce sont également elles qui ont mis en lumière la grande complexité du système de navigation des mammifères, qualifié de «GPS du cerveau» par certains ou encore, de «système de géoposition dans le cerveau» par le comité Nobel. May-Britt Moser et Edvard Moser ont cartographié, sur une longue période, les différents endroits (champs de lieu) où la présence d’un rat cheminant dans un enclos avait provoqué l’activation d’une cellule donnée, en l’occurrence une cellule qui, vu ses propriétés, allait être baptisée ensuite cellule de grille. Comme les cellules de lieu, les cellules de grille déchargent en fonction de la position du rat dans l’enclos. Mais contrairement aux premières, elles le font pour une série régulière de points (champs de lieu) situés aux nœuds d’un maillage hexagonal. Des cellules de grille proches l’une de l’autre dans le cortex entorhinal médian sont associées à un maillage de même dimension et de même direction, mais dont les nœuds sont légèrement décalés. Pour d’autres cellules de grille, la direction du maillage est différente et, pour d’autres encore, la taille de ce dernier (la distance entre les nœuds). En outre, ainsi que le souligne le docteur Rondi-Reig, «lorsqu’une cellule de grille est enregistrée dans différents environnements, elle maintient la taille et l’espacement du champ, mais l’orientation et la phase de la grille, c’est-à-dire la position des motifs hexagonaux par rapport à ceux des cellules voisines, sont modifiées. Cette modification appelée «réalignement de grille» affecte toutes les cellules de grille d’une manière cohérente».

Au-delà des détails d’ordre technique, l’essentiel est que les cellules de grille constituent le support d’une représentation mentale de l’espace sous forme de quadrillage – d’où le vocable de «grille». «Il s’agit d’un codage global de l’espace qui contraste avec la décharge locale de la cellule de lieu», fait encore remarquer Laure Rondi-Reig. L’activation successive de différentes cellules de grille durant les déplacements du rat lui permet de se forger un parcours mental faisant état de la distance accomplie dans une direction, puis de la distance accomplie dans une autre et ainsi de suite.

Chez l’adulte sain, 2 stratégies principales de navigation coexistent: la stratégie de séquence et la stratégie spatiale. Dans le premier cas, le cadre de référence est égocentrique (la position du propre corps du sujet); dans le second, il est allocentrique (la prise en considération de l’ensemble de l’environnement). La stratégie spatiale est indispensable à la création d’un nouveau chemin, un chemin alternatif par exemple. Elle se réfère à la carte cognitive servant de support à notre représentation de l’environnement. Dans une expérience réalisée au moyen du labyrinthe Starmaze, des volontaires couchés dans un scanner d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) devaient explorer, au moyen d’un joystick, un environnement virtuel pour y trouver un cadeau caché. Celui-ci découvert, il leur fut demandé de le retrouver ensuite de la manière la plus directe possible. Au fil des essais, les participants se créaient une mémoire de l’environnement et du chemin le plus court entre le point de départ et le point d’arrivée. Dans un deuxième temps, les chercheurs modifièrent le point de départ à leur insu. Certains participants ne s’en aperçurent pas et continuèrent à appliquer la séquence (gauche, droite, droite…) qu’ils avaient intériorisées. D’autres, en revanche, s’en rendirent compte et adoptèrent une stratégie spatiale centrée sur des indices visuels présents dans l’environnement.

«L’IRMf a dévoilé que les 2 stratégies s’apprennent en parallèle et que cet apprentissage nécessite l’activation d’un ensemble de régions cérébrales constitué notamment du cervelet (gauche et droit), de l’hippocampe (gauche et droit) et des cortex pariétal et préfrontal, explique le docteur Rondi-Reig. Par contre, quand les 2 stratégies sont dissociées après l’apprentissage, on observe que ce n’est qu’une partie spécifique du réseau qui est mise en jeu: l’hippocampe gauche, le Crus I du cervelet droit et le cortex préfrontal dans le cas de la stratégie séquentielle; l’hippocampe droit, le Crus I du cervelet gauche et le cortex pariétal dans le cas de la stratégie spatiale.» Tout sujet sain a ces 2 stratégies à disposition et est capable, malgré ses préférences pour l’une ou pour l’autre, de s’adapter de manière flexible à son environnement ou à des changements d’environnement.