Lire une phrase, suivre une conversation, résoudre un problème ou décider de l’action suivante: autant d’activités qui reposent sur la mémoire de travail. Celle-ci permet au cerveau de garder une information à l’esprit durant quelques secondes, même lorsque le stimulus a disparu, afin de la comparer à de nouvelles informations, de la manipuler et de l’utiliser pour guider notre comportement. Elle joue ainsi un rôle essentiel dans le passage de la perception à la pensée, puis de la pensée à l’action. Des scientifiques de l'UNIGE montrent que cette fonction s’appuie en partie sur une petite structure profonde du cerveau, le claustrum, dont les neurones contribuent à garder la trace de l’information pendant plusieurs dizaines de secondes. De plus, son inhibition entraîne une chute marquée des performances de la mémoire de travail. Ces résultats, publiés dans Nature Communications, ajoutent une pièce au puzzle des circuits de la pensée, un enjeu pour les troubles où la mémoire de travail est altérée, notamment le TDA/H et la schizophrénie.
Sans mémoire de travail, il serait difficile de penser, de comprendre, de décider ou d’adapter notre comportement. Indispensable, elle est aussi extrêmement exigeante pour le cerveau. Une information sensorielle s’efface rapidement lorsque le stimulus cesse, mais sa représentation doit pourtant rester suffisamment stable pour être utilisée plus tard.
Comment le cerveau parvient-il à conserver une information qui n’est plus là? On sait aujourd’hui que la mémoire de travail ne repose pas sur une seule région cérébrale, mais sur l’interaction de vastes réseaux impliquant notamment le cortex préfrontal, les régions sensorielles, le cortex pariétal, le thalamus et d’autres structures sous-corticales. Pourtant, la manière dont ces réseaux maintiennent une représentation de l’information au cours du temps reste encore largement incomprise.
Pour décrypter ces mécanismes, les groupes d'Alan Carleton, professeur ordinaire au Département des neurosciences fondamentales de la Faculté de médecine, et d'Ivan Rodriguez, professeur ordinaire au Département de génétique et évolution de la Faculté des sciences, ont cherché à comprendre le rôle du claustrum dans la mémoire de travail. Cette fine structure se situe dans les profondeurs du cerveau, entre le cortex insulaire et le striatum. «Ses neurones sont connectés à presque toutes les régions du cortex, ce qui le place en bonne position pour recevoir et influencer des informations provenant de réseaux très différents», souligne Alan Carleton.
Une trace qui résiste à l’attente
Pour le vérifier, les scientifiques ont étudié des souris qui recevaient une première information — une odeur ou une stimulation tactile. Elles devaient ensuite attendre plusieurs secondes avant de recevoir une deuxième information, puis déterminer si celle-ci était identique ou différente de la première. Pendant cet intervalle, le stimulus initial avait disparu. Pourtant, pour réussir la tâche, chaque souris devait continuer à en conserver une représentation interne. «Nos observations en direct de l’activité des neurones du claustrum ont montré qu’une trace de l’information initiale perdurait pendant toute la période d’attente», décrit Ivan Rodriguez. «Loin d’une simple mémoire figée, l’activité neuronale se modifiait au cours du temps. Cependant, l’identité du stimulus restait suffisamment présente pour être décodée jusqu’à 30 secondes plus tard».
Sans claustrum, la mémoire vacille
Pour savoir si cette structure est réellement nécessaire à la mémoire de travail, ou si elle ne fait que l’accompagner, les scientifiques ont temporairement réduit l’activité des neurones du claustrum. L’équipe a notamment utilisé l’optogénétique, une technique qui rend certains neurones sensibles à la lumière grâce à des protéines spécifiques, permettant ainsi de contrôler leur activité à l’aide d’une fibre optique lors de moments précis de la tâche. En perturbant cette activité neuronale, les performances des souris au niveau de leur mémoire de travail ont été réduites de moitié.
«Le résultat était similaire quel que soit le type de stimulus – olfactif ou tactile – et quel que soit le moment où la perturbation avait lieu pendant le temps d’attente entre les deux stimuli», ajoute Alan Carleton. «De plus, la perturbation du claustrum altère spécifiquement la capacité à utiliser l’information temporairement maintenue pour guider le comportement, sans affecter la perception elle-même».
Quel enjeu pour les troubles cognitifs?
La mémoire de travail repose donc sur une activité dynamique de réseaux neuronaux, qui doivent préserver une information tout en permettant au cerveau de continuer à percevoir, réfléchir et agir. Le claustrum joue un rôle central dans cette architecture complexe grâce à ses connexions avec de nombreuses régions corticales impliquées.
«Notre découverte pourrait aider à mieux comprendre les troubles cognitifs dans lesquels la mémoire de travail est altérée, par exemple la schizophrénie ou le TDA/H», détaille Alan Carleton. «Identifier les circuits cérébraux qui permettent de maintenir une information dans le temps constitue une étape importante pour comprendre comment ces fonctions peuvent être perturbées. Il faut maintenant déterminer comment le claustrum dialogue avec les réseaux corticaux et comment cette interaction permet de préserver la fidélité des représentations maintenues dans la mémoire de travail».