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Sciences

Dans le dédale de nos souvenirs

Comment les souvenirs s’impriment-ils dans le cerveau ? Où sont-ils stockés ? De nouvelles techniques font littéralement la lumière sur ces questions qui tourmentent la science depuis des siècles.
04-01-2018

Comment les souvenirs s’impriment-ils dans le cerveau ? Où sont-ils stockés ? De nouvelles techniques font littéralement la lumière sur ces questions qui tourmentent la science depuis des siècles.

«Je veux savoir pourquoi je me souviens de tout. Je pense constamment au passé. C’est comme un film qui ne s’arrête jamais. La plupart des gens pensent que c’est un don, mais pour moi c’est un fardeau », écrit Jill Price, une Américaine alors âgée de 34 ans, en juin 2000, aux neurobiologistes de l’université de Californie à Irvine (UCI). Son courriel est un véritable appel à l’aide. Depuis ses 11 ans, Jill se souvient de tous les jours de sa vie. Ce qu’elle faisait le 4 octobre 1982, ce qu’elle portait le 22 mai 1995, le jour où Bing Crosby est mort, la première fois qu’elle a entendu telle chanson ou rencontré telle personne, etc. Le tout, sans effort. Sa mémoire est « continuelle, incontrôlable et automatique », écriront les chercheurs en 2006, dans leur article décrivant ce cas stupéfiant. « Depuis, nous avons identifié une cinquantaine de cas similaires. Ils se souviennent des événements de leur vie personnelle beaucoup mieux que nous, mais ils ne sont pas meilleurs que la moyenne en histoire, par exemple, ni aux tests qui exigent de retenir une liste de mots », précise Craig Stark qui dirige les recherches à l’UCI sur ces personnes dotées de « mémoire autobiographique hautement supérieure » ou HSAM.

Leur apport à la science est précieux. En sondant la matière grise de ces hommes et femmes « calendriers », le chercheur espère décoder les mécanismes du souvenir en général. En 2012, l’équipe de Craig Stark a scruté par imagerie le cerveau d’une douzaine de ces individus. « On a vu que certaines zones associées à la mémoire autobiographique étaient renforcées », dit-il. Rien de majeur, toutefois, et on ne sait pas si ces différences anatomiques sont une cause ou une conséquence de leur « don ».

Le cerveau HSAM stocke-t-il plus de souvenirs ? Ou est-il simplement meilleur pour aller rechercher l’information ? Autrement dit, le passé de chacun s’enregistre-t-il ainsi automatiquement, en quasi-totalité ? Est-ce notre capacité à réactiver les détails qui varie ? Ces questions, Craig Stark n’est pas le seul à les poser. La quête de la « trace mnésique », ou engramme, cette empreinte biologique laissée par nos souvenirs, anime les scientifiques depuis des siècles. Même Aristote s’est penché sur le sujet, suggérant que le siège de la mémoire était dans le cœur, tant certains souvenirs ravivent les émotions.

La question a ensuite longtemps été abandonnée aux philosophes, puis aux psychologues. Mais l’essor des neurosciences a permis, depuis quelques décennies, d’y voir plus clair dans la façon dont nos souvenirs sont construits, stockés et, bien sûr, réanimés. Une chose est désormais certaine: la mémoire n’est pas un enregistrement passif de nos expériences. Elle est au contraire un processus extrêmement dynamique, soutenu par un remaniement constant des neurones. «La flexibilité de notre système mémoriel est incroyable. C’est ce qui en fait son utilité, car on peut se rappeler un même événement sous de multiples facettes, avec précision ou de façon très générale, souligne Signy Sheldon, neuropsychologue à l’Université McGill. Si l’on se souvenait de tous les détails, tout le temps, ce serait pénible.» Jill Price en sait quelque chose, elle qui croule en permanence sous ses souvenirs obsédants.

Si le cerveau de Jill n’a pas encore livré ses secrets, d’autres «cas» avant elle ont permis, à l’autre extrême du spectre, de démystifier le fonctionnement de la mémoire. Le plus célèbre? Henry Molaison, ou H.M., devenu amnésique à 27 ans après l’ablation d’une partie de son cerveau, une opération de dernier recours pour soigner une épilepsie sévère. En 1953, Brenda Milner, jeune neuropsychologue de l’Institut neurologique de Montréal, était appelée à la rescousse pour observer ce patient dont on dit aujourd’hui qu’il est le cas le plus étudié de l’histoire de la médecine. Et pour cause, débarrassé de son épilepsie, le jeune homme est en revanche incapable de se souvenir d’une nouvelle information plus de 30 secondes!

Cela étant, H.M. se rappelle de façon floue les événements survenus dans son enfance et il est capable d’acquérir de nouvelles capacités motrices, comme des techniques de dessin, même s’il ne se souvient pas de s’être entraîné pour y parvenir. Ce qui permet à la neuropsychologue de faire deux constats majeurs qui poseront les jalons des neurosciences (voir notre entrevue avec Brenda Milner). D’une part, il existe différents types de mémoires, reposant sur plusieurs zones cérébrales et pouvant fonctionner de façon plus ou moins autonome. D’autre part, une petite région, appelée hippocampe, qui a justement été retirée chez le jeune homme, est cruciale pour la création de nouveaux souvenirs.

Hippocampe, en rouge. Image: Life Science Databases.

«Depuis, on distingue par exemple la mémoire procédurale, grâce à laquelle on sait faire du vélo ou jouer du piano, de la mémoire sémantique qui concerne notre savoir général (les jours de la semaine, la capitale de la France, notre nom, etc.). Mais la mémoire dont les gens parlent le plus, c’est la mémoire épisodique qui nous permet de nous souvenir de notre premier baiser, de notre remise de diplôme ou de ce qu’on a mangé hier au dîner. C’est elle qui est grandement dépendante de l’hippocampe», explique Signy Sheldon.

Depuis les travaux précurseurs de Milner, l’hippocampe est l’objet de toutes les attentions de la part des spécialistes de la mémoire. Cette structure bicorne, nichée au centre du cerveau, est considérée comme le chef d’orchestre de nos souvenirs, leur gare de triage. «Pour se rappeler des détails d’un événement, on a besoin de l’hippocampe. Et quand je vous parle du rôle de l’hippocampe, c’est mon hippocampe qui fonctionne!» s’amuse Mme Sheldon.

Une histoire de plasticité

Mais si l’hippocampe est une sorte de disque dur, sous quelle forme y sont codées les traces de notre passé ? Contre toute attente, c’est un mollusque marin assez insignifiant – sur le plan cognitif, du moins – qui a livré le premier indice au début des années 1960. L’Américain Eric Kandel titille alors des limaces de mer en leur appliquant des décharges électriques, ce qui les force à rétracter leurs branchies de plus en plus efficacement. Il observe que ce réflexe – que l’on peut assimiler à un apprentissage – passe par le renforcement de certaines synapses, ces points de connexions entre les neurones. Autrement dit, le fait de stimuler un neurone à répétition augmente les chances que le neurone voisin « s’allume » de concert, et ce, pendant des semaines. « Certaines connexions sont solidifiées de façon durable. La mémoire est donc le résultat d’une modification de la façon dont les neurones communiquent entre eux », résume Jean-Claude Lacaille, professeur de physiologie à l’Université de Montréal et spécialiste des synapses.

Ces recherches, qui ont valu à Kandel le prix Nobel de médecine en 2000, ont marqué un tournant en démontrant que ce sont les synapses qui constituent le véritable support de la mémoire, l’unité de base. C’est d’ailleurs logique. Puisqu’un neurone humain reçoit de l’information en provenance d’environ 10 000 autres, on estime qu’il y a 10 000 à 100 000 fois plus de synapses dans le cerveau que de neurones… « Imaginez le nombre de permutations possibles ! » s’enthousiasme Jean-Claude Lacaille.

Pour former un souvenir, il faut parfois quelques répétitions (pensez à vos cours de biologie ou à l’apprentissage laborieux d’un poème). Dans d’autres cas, comme lors d’un premier baiser, il suffit d’une fois pour que le lieu, les sensations, les couleurs, les odeurs associés à cet événement s’inscrivent en vous. Sous un angle moins romantique, le baiser comme le poème ont déclenché l’activation d’un vaste circuit de neurones dans le cerveau. Ceux-ci ont, pendant quelques millisecondes, vibré à l’unisson, suivant une « musicalité » (fréquence, rythme) qui constitue la signature de ce souvenir bien précis. Chaque fois que ce baiser vous revient à l’esprit, ce même groupe de neurones se rallume comme un seul ! Car le chemin allant de l’un à l’autre s’est renforcé. C’est ce qu’on appelle la « potentialisation à long terme », dont les mécanismes sont encore partiellement incompris (voir l’article Des synapses en mouvement). Chaque souvenir correspond ainsi à une configuration particulière de quelques milliers de neurones travaillant ensemble, convergeant vers l’hippocampe. « Les détails comme le lieu, les émotions, les odeurs sont inscrits un peu partout dans différentes aires cérébrales, mais l’hippocampe compile tout ça pour reconstituer une image mentale », explique Signy Sheldon.

Le cerveau humain compte plus de 100 milliards de neurones. Leur rôle peut se résumer simplement : recevoir de l’information d’un côté, en transmettre de l’autre. Ces cellules sont donc constituées d’un « corps » en vague forme d’étoile – dont les multiples branches s’appellent des dendrites, et forment autant de récepteurs – et d’un prolongement appelé axone qui joue le rôle d’émetteur. Les neurones ne se touchent pas; ils sont séparés par des fentes larges de 0,1 micron appelées synapses qui sont les portes d’entrée ou de sortie de l’information. Pour communiquer, les neurones se « lancent » des signaux chimiques, ou neurotransmetteurs, à travers les synapses. Les dendrites réceptionnent ces signaux, les additionnent, les analysent, et décident de générer (ou non) un signal électrique en réponse. Celui-ci se propage le long de l’axone, où il libère des neurotransmetteurs qui sont à leur tour captés par le neurone voisin, et le suivant, et ainsi de suite.

Pour autant, à moins que vous ne soyez atteint de HSAM, vous ne vous souviendrez pas éternellement de votre banal dîner d’hier. Le premier baiser, lui, s’oublie moins facilement. Plusieurs facteurs facilitent la consolidation de la mémoire à long terme : l’attention, la motivation et, bien sûr, la charge émotionnelle, positive ou non. Ce n’est pas pour rien qu’on se souvient tous, ou presque, de ce qu’on faisait au moment des attentats du 11 septembre 2001. « À long terme, la mémorisation passe par l’activation de nouveaux gènes et la production de protéines », détaille Jean-Claude Lacaille qui étudie justement l’ensemble des protéines produites au niveau des synapses pour voir quelles « clés » sont changées. Parallèlement, et de façon inconsciente, le cerveau se rejoue le film des événements marquants pendant le sommeil. On sait ainsi que, lorsqu’un rat découvre un nouveau labyrinthe, des neurones situés dans son hippocampe s’enclencheront suivant un motif spatiotemporel particulier. Pendant le sommeil, ces séquences se réactiveront exactement de la même façon. De quoi consolider les chemins neuronaux durablement, voire même créer de nouvelles connexions.

Voir les souvenirs se former

Si cette théorie du réseau neuronal codant une expérience donnée a le vent en poupe depuis les années 1950, ce n’est que tout récemment qu’on a pu en apporter la preuve concrète, en « visualisant » pour de bon un engramme, c’est-à-dire une population de neurones travaillant ensemble. On a même réussi à le manipuler !

Une prouesse que l’on doit à l’optogénétique, une technique révolutionnaire, inventée en 2005, qui combine l’optique et le génie génétique. Le principe ? Utiliser la lumière pour activer ou inhiber les neurones à volonté, grâce à des protéines photosensibles que l’on fait produire artificiellement aux cellules pour servir d’« interrupteurs ».

C’est notamment le joujou favori de Susumu Tonegawa (encore un lauréat de prix Nobel, en passant), directeur du Riken Brain Science Institute au Japon et associé au Massachusetts Institute of Technology. En 2012, son équipe a activé sur commande un souvenir de peur chez des souris, les tétanisant alors même qu’elles étaient en parfaite sécurité. Pour y parvenir, les chercheurs ont d’abord placé des souris dans une boîte où elles recevaient une décharge électrique. Une expérience fort désagréable qui s’encodait dans leur cerveau sous forme d’engramme. Sauf que, en s’activant lors de l’apprentissage, ce réseau de neurones génétiquement modifiés produisait du même coup les fameuses protéines « interruptrices », devenant dès lors sensibles à la lumière. En implantant une fibre optique dans le cerveau des rongeurs, ce fut ensuite un jeu d’enfant de réactiver l’engramme lié à la peur. Placées dans un environnement sécuritaire, qu’elles n’associaient pas à la décharge électrique, les souris figeaient dès qu’on « rallumait » leur souvenir.

Cette expérience spectaculaire a pavé la voie à d’autres manipulations du même ordre, toujours chez la souris, permettant de forcer le rappel d’un événement, d’implanter de « faux » souvenirs ou même de convertir une expérience négative en expérience positive.

Bien qu’elle semble sortie tout droit d’un film de science-fiction, l’optogénétique est un outil rêvé pour lever le voile sur les grands mystères de la mémoire, comme le lieu de stockage des souvenirs de longue date. Sur ce point, l’étude du cas de H.M. a révélé il y a longtemps que l’hippocampe n’est pas indispensable pour se remémorer les choses les plus anciennes. « À long terme, certains pensent que la trace du souvenir est transférée vers le cortex [NDLR : la couche externe du cerveau] », explique Serge Laroche, chercheur à l’Institut des neurosciences de Paris. Toutefois, sans l’hippocampe, les contours des souvenirs sont plus flous. « On ne se souvient plus de la couleur des yeux de la personne du premier baiser par exemple, ou des détails du lieu où il a été donné », reprend-il. Mais la théorie du transfert des souvenirs en périphérie du cerveau est controversée. « Là où les choses se compliquent, c’est que l’on découvre que l’encodage des souvenirs n’implique pas que l’hippocampe, mais un dialogue, une coactivation de l’hippocampe et du cortex », poursuit-il.

En avril 2017, dans la revue Science, le groupe de Tonegawa a apporté une preuve flagrante de ce dialogue. Contre toute attente, on a vu que les souvenirs se formaient simultanément dans l’hippocampe et dans le cortex, dès le premier jour ! Les chercheurs ont ainsi traqué un souvenir de peur (lié à une décharge électrique) chez la souris en « étiquetant » par optogénétique les neurones associés à ce traumatisme. Ils ont observé que, pendant les deux premières semaines, lorsque la souris se remémorait l’événement, seuls les neurones de l’hippocampe s’allumaient; le circuit du cortex restait silencieux. Puis, après cette période, la situation s’inversait : lorsque la souris repensait à sa peur, c’est le réseau cortical qui était sollicité. La trace située dans l’hippocampe, elle, s’estompait, même si elle restait fonctionnelle lorsque les chercheurs la réactivaient avec de la lumière.

Et si, chez les personnes comme Jill Price, cet estompage se faisait peu, ou pas ? En 2016, Craig Stark a comparé la mémoire d’individus HSAM à celle de témoins, au sujet d’événements survenus 1 semaine, 1 mois, 1 an ou 10 ans auparavant. Son constat : « Les HSAM oublient très, très lentement. » Or, un cerveau « normal » a besoin d’oublier. De plus en plus d’études remarquent que le cerveau dépense peut-être autant d’énergie à créer de nouveaux souvenirs qu’à effacer les anciens, devenus inutiles. « Une information est codée à la fois par le renforcement de certaines synapses et par l’affaiblissement des chemins neuronaux qui ne sont pas pertinents », confirme Yann Humeau, chercheur à l’Institut interdisciplinaire de Neurosciences à Bordeaux, en France. « Si on ne faisait que renforcer des synapses, le cerveau grossirait toute notre vie. On aurait tous de grosses têtes qui ne tiendraient pas sur nos cous ! » Ne dit-on pas justement que la mémoire est une faculté qui oublie ?

À lire aussi:

Mémoire infidèle: peut-on effacer nos souvenirs?

Et si c’était la nature même de la mémoire d’être incertaine et malléable à merci ? Une instabilité que l’on commence à exploiter pour soigner certains troubles psychiques.

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