Apprendre change le cerveau. Mais comment ? Et où ? Depuis quelques décennies, avec le développement des techniques d’imagerie cérébrale, on a de plus en plus de pistes de réponse à ces questions. Mais comme souvent avec le cerveau, ô surprise, ce n’est pas simple… Considérons seulement deux études récentes s’intéressant aux multiples modifications que subissent certaines régions du cerveau avec l’apprentissage, en particulier l’hippocampe et le cortex pariétal.

La première vient d’être publiée sous le titre “Converging measures of neural change at the microstructural, informational, and cortical network levels in the hippocampus during the learning of the structure of organic compounds” par M.A. Just et T.A. Keller dans Brain Structure & Function (2019). Les sujets devaient étudier les noms et les structures chimiques de neuf composés organiques (comme l’éthanol, par exemple). En utilisant trois techniques différentes d’imagerie cérébrale, Just et Keller ont trouvé des indices de la présence de changements consécutifs à cet apprentissage dans la même région du cerveau. Une toute petite région d’environ 1,3 centimètre cube située dans la corne d’Ammon de l’hippocampe gauche (région communément déclinée en ses sous-régions CA1, CA2, CA3, etc, en bleu sur l'image ci-dessus.).

Ici, pas de surprise puisque l’on connaît très bien l’importance de l’hippocampe dans le stockage de nouvelles informations explicites, comme les noms des substances chimiques. Et l’on sait même depuis une dizaine d’années que certains neurones de l’hippocampe, appelé « concept cells » par des scientifiques comme Rodrigo Quian Quiroga, peuvent encoder de façon très spécifique des concepts abstraits de haut niveau, comme l’identité d’une personne ou d’un monument historique. Ces travaux montraient toutefois en plus que ces « cellules conceptuelles » sont en relation avec d’autres régions du cortex où semblent stockés d’autres détails associés à ces souvenirs (les propriétés concrètes de l’objet, par exemple).

L’étude de Just et Keller va dans le même sens. La première technique utilise une forme d’imagerie de diffusion qui leur a permis de noter un ralentissement de la diffusion des molécules d’eau dans cette région de l’hippocampe, ralentissement que les neurobiologistes associent à des changements synaptiques.

La seconde approche utilisée dans l’étude prenait parti de la possibilité, grâce à l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) et des avancées de la reconnaissance de patterns de l’apprentissage machine (« deep learning »), d’identifier justement la signature de l’activité cérébrale particulière associée aux neufs différentes molécules organiques apprises par les sujets. Et cette signature se trouvait dans la même région de 1,3 centimètre cube de l’hippocampe gauche où la diffusion de l’eau était moins grande après l’apprentissage en question.

Finalement, dans une troisième approche utilisant cette fois-ci l’IRMf pour mesurer la synchronisation de l’activité neuronale entre différentes structures cérébrales à l’échelle du cerveau entier, on a pu observer une signature globale des composés chimiques appris faisant intervenir le cortex en plus de l’hippocampe, comme je l’évoquais un peu plus haut. Et dans ce cas-ci, l’une des régions corticales les plus synchronisées avec l’activité des neurones de ce même 1,3 centimètre cube de l’hippocampe gauche était le sulcus intrapariétal, une zone corticale connue pour son implication dans la visualisation 3D des structures (celle d'une molécule chimique, par exemple...). D’où l’interprétation de ce phénomène comme un indice d’une meilleure coordination dans ce réseau particulier facilitant la représentation des multiples aspects des composés organiques nouvellement appris.

Ces trois différentes mesures montrent donc des indices de changements dans l’hippocampe gauche tant au niveau microstructural, informationnel que de l’efficacité des réseaux impliqués à large échelle suite à l’apprentissage des noms et structures de ces composés organiques.

Quant à la seconde étude publiée pour sa part le 30 novembre dernier par S. Brodt et ses collègues et intitulée « Fast track to the neocortex: A memory engram in the posterior parietal cortex », elle met l’accent sur la rapidité insoupçonnée avec laquelle un nouvel apprentissage peut laisser sa trace dans le cortex. Car selon les modèles classiques, ces traces corticales s’établissent lentement au fur et à mesure que l’hippocampe réactive ces souvenirs sur de longues périodes, contribuant ainsi à leur consolidation corticale. En d’autres termes, l’hippocampe encoderait rapidement des traces d’un nouvel apprentissage, mais celles-ci seraient labiles et transférées progressivement dans différentes régions corticales où elles deviendraient plus permanentes.

C’est encore une fois grâce à deux techniques d’imagerie cérébrale combinées, l’IRMf et l’imagerie de diffusion (« diffusion-weighted MRI »), que Brodt et son équipe ont fait leur étonnante constatation survenue suite à un apprentissage associatif impliquant la mémoire déclarative. En gros, ils se sont rendus compte qu’un apprentissage peut générer rapidement un engramme mnésique dans le cortex pariétal humain. Un peu comme dans l’expérience précédente, ils ont pu grâce à l’imagerie de diffusion constater des indices de cette plasticité corticale au niveau microstructurel aussi tôt qu’une heure après l’apprentissage. Celle-ci persistait encore 12 heures après l’expérience, était également spécifique à ce qui avait été appris, et la région en question était mise à contribution lors du rappel des notions apprises.

Bref, l’encodage d'un nouvel apprentissage dans le cortex semble beaucoup plus rapide qu’on le croyait. Et bien que l’hippocampe et le cortex soient des structures corticales bien différenciées, leur contribution à la mémoire humaine semble décidément très intégrée, voire enchevêtré. La question du « comment » de la mémoire est donc loin d’être complètement résolue et la question du « où » se décline définitivement au pluriel !