Comment enseigner cet article : « Coordination de l’activité de l’ensemble entorhinal-hippocampique pendant l’apprentissage associatif », par Igarashi et al. (2014)

Notre activité cérébrale est un mélange d’ondes en constante évolution à différentes fréquences, en fonction de ce que nous faisons. Nous augmentons nos ondes alpha avec la méditation, augmentons le gain gamma pour un travail cognitif difficile et nous nous installons dans des ondes delta lentes pendant que nous dormons. Les chercheurs sont capables d’observer les oscillations cérébrales depuis plus de 100 ans, mais que servent-elles réellement ? faire?

De nombreuses théories sur les ondes cérébrales ont gagné en popularité au cours du siècle dernier. Certains chercheurs affirment que les ondes cérébrales jouent un rôle essentiel dans la synchronisation de l’activité de neurones individuels ou dans l’aide au cerveau pour traiter les informations. D’autres prétendent qu’ils sont simplement l’échappement neural d’un organe bioélectrique.

Il y a une dizaine d’années, Kei Igarashi, Laura Colgin et des scientifiques lauréats du prix Nobel Mai-Britt et Edvard Moser a cherché à comprendre si les ondes cérébrales avaient quelque chose à voir avec nous aidant à consolider nos souvenirs. S’appuyant sur d’autres recherches suggérant que des oscillations gamma très rapides et des oscillations thêta plus lentes pourraient interagir pour former des souvenirs, ils ont recherché des preuves froides et concrètes que c’était effectivement le cas. Ce faisant, ils ont établi une base importante dans la recherche sur la mémoire : l’hypothèse selon laquelle les régions du cerveau oscillent ensemble pour former des connexions synaptiques et, finalement, des souvenirs.

APERÇU DU PAPIER

La mémoire déclarative nous permet de nous rappeler consciemment des faits que nous avons appris – que le canal de Panama a été achevé en 1914, par exemple – ou des épisodes spécifiques de notre vie – que vous avez visité le Panama lorsque vous aviez 13 ans. C’est également l’une des nombreuses fonctions que la recherche a liées aux oscillations cérébrales.

Lorsque nous formons pour la première fois et lorsque nous récupérons ce genre de souvenirs, des parties de notre cortex et de notre hippocampe vibrent à deux fréquences particulières : un rythme thêta grave et frais ainsi qu’une oscillation gamma plus rapide. Plusieurs études chez les rats et les humains ont montré que lorsque les fréquences thêta et gamma fluctuent ensemble dans l’hippocampe, nous nous souvenons davantage. Travaux antérieurs au laboratoire Moser a également montré que le gamma rapide pouvait à lui seul synchroniser différentes régions du cerveau, mais ne liait pas directement cette observation à l’apprentissage et à la mémoire.

Jusqu’à l’article de 2014, les chercheurs en mémoire n’avaient pas observé de changements de synchronisation entre les régions du cerveau au cours du comportement et ne savaient pas comment les oscillations étaient liées aux changements dans des neurones individuels. Igarashi et coll. a cherché à comprendre ce qui se passait précisément dans le cerveau lorsque les ondes cérébrales se synchronisaient et comment cela pouvait permettre aux animaux de se souvenir.

Cet article aborde les mécanismes de la mémoire, ce qui en fait un excellent complément à la plupart des cours de neurosciences, de psychologie ou de sciences cognitives. Bien que les méthodes ne soient pas trop techniques (surtout par rapport aux normes actuelles), quelques approches, telles que les analyses vectorielles de population et spectrales, pourraient valoir la peine d’être abordées dans un cours axé sur l’analyse de données neuronales. Pour tous les autres, vous pouvez simplement expliquer le pourquoi de ces méthodes sans creuser dans le comment.

PRÉ-LECTURE

Les rats ne peuvent pas vous dire ce qu’ils ont appris en cours d’histoire, alors Igarashi et coll. axé sur l’apprentissage associatif, une sorte d’apprentissage dans lequel nous établissons des liens – à la fois métaphoriques et neuronaux – entre différents stimuli. Une caractéristique intéressante de l’article est que presque toutes les figures partagent cette même configuration expérimentale de base : les chercheurs ont entraîné des animaux à associer des emplacements et des odeurs spécifiques tout en enregistrant à partir de plusieurs régions de l’hippocampe. Cette configuration consistant à utiliser des enregistrements tétrodes chez des animaux en mouvement libre devrait être facilement compréhensible pour la plupart des étudiants de premier cycle en psychologie ou en neurosciences.

Le analyse des données électrophysiologiques est un peu plus compliqué. Cet article part du principe que vous pouvez enregistrer une trace de tension bruyante au fil du temps à partir d’un cerveau et utiliser un algorithme connu sous le nom de transformée de Fourier pour décomposer cette trace en fréquences sinusoïdales individuelles, de la même manière qu’un enregistrement musical complexe peut être décomposé en des tons purs. En d’autres termes, l’article considère les données principalement dans le domaine fréquentiel plutôt que dans le domaine temporel.

Les étudiants n’ont pas besoin de connaître les mécanismes d’une transformée de Fourier, mais ils doivent comprendre pourquoi elle est utilisée et peut-être même prédire à quoi ressembleraient les données de séries chronologiques dans le domaine fréquentiel. (Voir « Activités supplémentaires » ci-dessous.) Une manière courante de visualiser la décomposition des enregistrements en fréquences consiste à utiliser un spectrogramme, un type spécial de carte thermique qui montre la valeur d’une métrique particulière (telle que la puissance d’une onde cérébrale) pour différentes fréquences (sur l’axe des y) dans le temps (sur l’axe des x).

Les étudiants doivent également être familiers avec le concept de cohérence, ou dans quelle mesure les oscillations dans deux zones cérébrales différentes sont synchronisées. Imaginez deux stades qui font tous deux la vague : si ces vagues frappaient des endroits similaires dans le stade en même temps, nous les considérerions comme cohérentes. De la même manière, lorsque deux zones cérébrales sont cohérentes, leurs oscillations atteignent des sommets et des creux à peu près au même moment. Igarashi et coll. utiliser des spectrogrammes pour illustrer les changements de puissance et les variations de cohérence des ondes à différentes fréquences.

TRAVAILLER À TRAVERS LES CHIFFRES

Commençons par le comportement lui-même. Dans le cadre d’un comportement de conditionnement opérant classique, les rats ont été entraînés pendant quelques semaines à associer des odeurs particulières, telles que l’odeur des roses, à l’emplacement d’un gobelet de nourriture.