Pendant le sommeil, l'hippocampe et le néocortex interagissent de manière essentielle à la formation de la mémoire.

Pendant le sommeil, l'hippocampe et le néocortex interagissent de manière essentielle à la formation de la mémoire.

En utilisant un modèle de réseau neuronal, Anna Schapiro, neuroscientifique de Penn, et ses collègues ont découvert que l'hippocampe et le néocortex interagissent de manière essentielle pour la formation de la mémoire lorsque le corps se déplace entre les cycles de sommeil paradoxal et lent.

Quel rôle jouent les phases du sommeil dans la formation des souvenirs ? "Nous savons depuis longtemps qu'un apprentissage utile se produit pendant le sommeil", explique la neuroscientifique Anna Schapiro de l'Université de Pennsylvanie. "Vous codez de nouvelles expériences pendant que vous êtes éveillé, vous vous endormez et lorsque vous vous réveillez, votre mémoire a changé d'une manière ou d'une autre."

Mais la manière exacte dont les nouvelles expériences sont traitées pendant le sommeil reste en grande partie un mystère. À l'aide d'un modèle informatique de réseau neuronal qu'ils ont construit, Schapiro, Penn Ph.D. Les étudiants Dhairyya Singh et Kenneth Norman de l'Université de Princeton ont désormais de nouvelles connaissances sur le processus.

Dans une recherche publiée dans les Actes de l'Académie nationale des sciences, ils montrent que l'hippocampe enseigne au néocortex ce qu'il a appris pendant que le cerveau passe par le sommeil lent et le sommeil paradoxal (REM), qui se produit environ cinq fois par nuit, pour convertir des informations nouvelles et éphémères en souvenirs durables.

Il ne s’agit pas simplement d’un modèle d’apprentissage dans les circuits locaux du cerveau. De cette façon, une région du cerveau peut enseigner à une autre région du cerveau pendant le sommeil, à un moment où il n’y a aucune orientation du monde extérieur. C’est également une suggestion sur la façon dont nous apprenons gracieusement au fil du temps à mesure que notre environnement change.

Anna Schapiro, professeur adjoint au département de psychologie de Penn

D'une manière générale, Schapiro étudie l'apprentissage et la mémoire chez les humains, en particulier la manière dont les gens acquièrent et consolident de nouvelles informations. Elle croit depuis longtemps que le sommeil joue un rôle ici, ce qu'elle et son équipe ont testé en laboratoire en enregistrant ce qui se passe dans le cerveau des participants pendant leur sommeil.

Son équipe construit également des modèles de réseaux neuronaux pour simuler les fonctions d’apprentissage et de mémoire. Spécifiquement pour ce travail, Schapiro et ses collègues ont construit un modèle de réseau neuronal composé d'un hippocampe, le centre du cerveau pour les nouveaux souvenirs, chargé d'apprendre les informations épisodiques quotidiennes du monde, et du néocortex, qui est responsable de facettes telles que la cognition au niveau du langage et un stockage plus permanent de la mémoire. Pendant le sommeil simulé, les chercheurs peuvent observer et enregistrer quels neurones simulés se déclenchent dans ces deux zones, puis analyser ces schémas d'activité.

L’équipe a mené plusieurs simulations de sommeil à l’aide d’un algorithme d’apprentissage inspiré du cerveau qu’elle a développé. Les simulations ont montré que pendant le sommeil lent, le cerveau se souvient principalement des événements et des données récents, guidé par l'hippocampe, et que pendant le sommeil paradoxal, il répète principalement ce qui s'est passé auparavant, guidé par le stockage de la mémoire dans les régions néocorticales.

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"Lorsque les deux régions du cerveau se connectent pendant le sommeil non paradoxal, l'hippocampe enseigne en fait le néocortex", explique Singh, étudiant de deuxième année dans le laboratoire de Schapiro. "Puis, pendant le REM, le néocortex se réactive et peut répéter ce qu'il sait déjà", enregistrant ainsi les données dans la mémoire à long terme.

Basculer entre les deux phases de sommeil est également important, dit-il. "Lorsque le néocortex n'a pas la possibilité de refléter ses propres informations, nous constatons que les informations qui s'y trouvent sont écrasées. Nous pensons qu'il faut alterner le sommeil paradoxal et non paradoxal pour qu'une forte formation de mémoire se produise."

Les résultats sont cohérents avec ce qui est connu dans le domaine, même si certains aspects du modèle restent théoriques. "Nous devons encore tester cela", explique Schapiro. "L'une de nos prochaines étapes consistera à mener des expériences pour comprendre si le sommeil paradoxal ramène réellement d'anciens souvenirs et quel impact cela pourrait avoir sur l'intégration de nouvelles informations dans vos connaissances existantes."

Étant donné que les simulations actuelles étaient basées sur une nuit de sommeil saine d'un adulte typique, elles ne se généralisent pas nécessairement à d'autres types d'adultes ou à des habitudes de sommeil moins excellentes. Ils n’offrent également aucun aperçu de ce qui arrive aux enfants, qui nécessitent des quantités et des types de contact visuel différents de ceux des adultes. Schapiro dit qu'elle voit un grand potentiel dans son modèle pour répondre à certaines de ces questions ouvertes. "Avec un outil comme celui-ci, vous pouvez aller dans de nombreuses directions, notamment parce que l'architecture du sommeil change au cours de la vie et selon différentes maladies, et nous pouvons simuler ces changements dans le modèle", dit-elle.

À long terme, une meilleure compréhension du rôle des phases du sommeil dans la mémoire pourrait contribuer à éclairer les traitements des troubles psychiatriques et neurologiques dont les déficits de sommeil sont un symptôme. Singh dit que cela pourrait également avoir des implications pour l'apprentissage profond et l'intelligence artificielle. "Notre algorithme d'inspiration biologique pourrait fournir de nouvelles orientations pour un traitement de mémoire hors ligne plus puissant dans les systèmes d'IA", dit-il. Ce travail de validation de principe reliant le sommeil et la formation de la mémoire rapproche le domaine de ces objectifs.

Source:

Université de Pennsylvanie

Référence:

Singh, D., et coll. (2022) Un modèle d'interactions autonomes entre l'hippocampe et le néocortex qui pilote la consolidation de la mémoire dépendante du sommeil. PNAS. est ce que je.org/10.1073/pnas.2123432119.

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