Neuroscience cognitive : mécanismes d’apprentissage et de mémoire

Le cerveau est un organe fascinant qui nous permet d’apprendre et de mémoriser. Mais comment fonctionne-t-il exactement ? Dans cet article, nous explorerons les dernières découvertes en neurosciences cognitive pour démystifier les mécanismes de l’apprentissage et de la mémoire. Nous aborderons les différents types de mémoire, les processus neurobiologiques impliqués, les structures cérébrales et les troubles de la mémoire. Que vous soyez étudiant, professionnel de la santé mentale ou simplement curieux du fonctionnement du cerveau, cet article vous apportera des informations précieuses et des insights fascinants.

Alors, prêt à plonger dans les secrets de votre cerveau ?

Apprentissage et mémoire

Introduction

Composé de milliards de neurones interconnectés, le cerveau est un organe d’une complexité fascinante. Son fonctionnement est régi par une multitude de systèmes spécialisés qui gèrent nos sensations, nos actions et nos émotions. Dès la naissance, et même avant, ces systèmes sont en constante évolution, modelés par les stimuli sensoriels que nous recevons.

Au fil de nos expériences, le cerveau se remodèle et s’adapte, créant de nouvelles connexions entre les neurones. C’est ce que l’on appelle l’apprentissage. Il peut être de nature différente :

    • Explicite: apprendre une définition, un concept ou une information factuelle.
    • Implicite: développer un automatisme, comme faire du vélo ou jouer d’un instrument de musique.

L’expérience joue un rôle crucial dans le développement du cerveau. Dès la petite enfance, la stimulation visuelle est essentielle au développement du cortex visuel, mais elle permet aussi à l’enfant de reconnaître le visage de sa mère. L’apprentissage et le développement cérébral semblent utiliser des mécanismes similaires, mais à des moments et dans des régions du cerveau différentes.

L’apprentissage et la mémoire peuvent être vus comme des adaptations permanentes des circuits cérébraux à l’environnement. Ces adaptations nous permettent de répondre de manière appropriée aux situations que nous avons déjà rencontrées. En résumé, le cerveau est une machine extraordinaire qui se façonne et se perfectionne tout au long de notre vie grâce à l’expérience.

Différents types de mémoire

Apprendre, c’est acquérir de nouvelles informations et connaissances, tandis que mémoriser, c’est les conserver et les restituer. Tout au long de notre vie, nous accumulons un vaste éventail de souvenirs et d’apprentissages, qui ne sont vraisemblablement pas stockés et traités de la même manière par notre cerveau. En effet, chaque type d’apprentissage et de mémoire implique des structures et des mécanismes neuronaux spécifiques. De plus, le stockage des informations peut évoluer au fil du temps.

Il n’existe pas une seule « méthode » d’apprentissage universelle. Chaque type d’apprentissage, qu’il soit implicite ou explicite, verbal ou non verbal, engage des circuits neuronaux distincts. De même, la mémoire ne se résume pas à un simple « stockage » d’informations. Elle implique des processus complexes de consolidation, de réactivation et de reconsolidation des souvenirs.

Le temps joue également un rôle crucial dans la mémoire. Les souvenirs récents, fragiles et lacunaires, se consolident progressivement pour devenir des souvenirs à long terme, plus stables et résistants à l’oubli. Ce processus de consolidation implique des modifications durables des connexions entre les neurones.

En décodant les mécanismes de l’apprentissage et de la mémoire, nous pouvons mieux comprendre comment notre cerveau fonctionne et comment nous pouvons optimiser nos capacités d’apprentissage et de mémorisation.

Mémoire déclarative et mémoire non déclarative

Lorsque nous évoquons la mémoire, nous pensons généralement aux faits et événements que nous avons emmagasinés au fil de notre vie. Cette mémoire, dite déclarative, se subdivise en deux catégories :

    • Mémoire épisodique (Evénements) : elle concerne les événements personnels, comme l’examen de neurosciences d’hier ou la baignade avec votre chien Axone à l’âge de cinq ans.
    • Mémoire sémantique (Faits) : elle regroupe les connaissances générales, telles que la capitale de la Thaïlande ou le lien de parenté entre Darth Vader et Luke Skywalker.

Mais la mémoire ne se limite pas à ces souvenirs explicites. Elle englobe également des mémoires non déclaratives, implicites et automatiques, qui influencent nos comportements sans que nous en ayons conscience. La plus connue est la mémoire procédurale, qui nous permet d’accomplir des gestes quotidiens comme jouer du piano ou faire du vélo.

Les mémoires déclaratives et non déclaratives se distinguent sur plusieurs points :

    • Conscience : les souvenirs déclaratifs sont accessibles à la conscience, tandis que les souvenirs non déclaratifs ne le sont pas.
    • Acquisition : les souvenirs déclaratifs se forment rapidement, mais peuvent s’effacer facilement. A l’inverse, les souvenirs non déclaratifs se construisent après un apprentissage répétitif et s’avèrent plus durables.

Exemples : se souvenir d’une soirée entre amis (déclaratif) vs apprendre à faire du ski (non déclaratif).

Le cerveau possède une capacité de stockage extraordinaire pour les informations déclaratives. Des études sur des individus dotés d’une mémoire exceptionnelle suggèrent que cette capacité est pratiquement illimitée. La rapidité avec laquelle nous pouvons acquérir de nouvelles connaissances est également fascinante et implique des mécanismes encore méconnus.

Mémoires procédurales

Le type de mémoire non déclarative auquel nous allons nous intéresser particulièrement et la mémoire procédurale. Celle-ci implique l’apprentissage d’une réponse motrice (une procédure) en réponse à une entrée sensorielle. La formation de cette mémoire procédure intervient au travers de deux grandes catégories d’apprentissage : l’apprentissage non associatif et l’apprentissage associatif.

La formation de la mémoire procédurale repose sur deux types d’apprentissage :

      • L’apprentissage non associatif : il s’agit de l’adaptation de notre réponse à un stimulus simple. Par exemple, l’habituation à un son répétitif ou la sensibilisation à une douleur aigüe.

      • L’apprentissage associatif : il implique la création de liens entre différents stimuli et/ou réponses. C’est le cas, par exemple, lorsqu’on apprend à associer un son à une image ou à coordonner des mouvements pour réaliser une tâche complexe.

    Apprentissage non associatif : Lorsqu’une réponse comportementale est modifiée en réponse à un seul type de stimulus répété dans le temps, il s’agit d’un apprentissage non associatif, dont deux formes principales sont distinguées : l’habituation et la sensibilisation.

    Supposez que vous viviez dans un logement ne comportant qu’un seul téléphone. Lorsque celui-ci se met à sonner, vous vous précipitez pour répondre, mais il se trouve qu’à chaque fois il s’agit systématiquement d’une erreur et que le message ne vous soit pas destiné. Assez rapidement vous n’aller plus vous précipiter pour répondre et même vous allez vous abstenir de répondre. Ce type d’apprentissage est qualifié d’habituation et vous conduit à ignorer le stimulus qui a perdu toute signification pour vous.

    Supposons maintenant que vous soyez en train de vous promener pendant la nuit sur le trottoir d’une ville bien éclairée et que soudainement tout s’éteigne ! Vous entendez alors des pas derrière vous, ce qui vous effraie à un point tel que vous êtes prêt à vous enfuir, alors que dans des conditions normales ce type d’événement ne vous perturbe pas. Des phares d’un véhicule apparaissent et cela vous conduit à faire un écart pour vous mettre à l’abri de façon inconsidérée. Ainsi, ce stimulus intense (le fait que vous retrouviez soudainement dans le noir) à provoqué une sensibilisation, c’est-à-dire une forme d’apprentissage qui a incroyablement augmenté votre réponse comportementale à tous les stimuli, même ceux qui normalement ne provoquent pas de réponse particulière ou même aucune réaction, comme l’apparition des phares dans la rue.

    Apprentissage associatif : Dans ce cas, il s’agit de modifications de comportements intervenant par la formation d’associations entre événements reconnues comme apprentissage associatif. Cette situation est différente de celle impliquant un changement de réponse comportementale à un seul stimulus, comme c’est le cas pour l’apprentissage non associatif. Là encore, deux grands types d’apprentissages associatifs sont distingués : le conditionnement classique et le conditionnement instrumental.

    « Le conditionnement classique a été découvert et caractérisé chez le chien par le fameux physiologiste russe Ivan Pavlov, à l’orée du XXe siècle. Le conditionnement classique est basé sur l’association d’un stimulus qui donne normalement une réponse mesure avec un second qui, lui, n’évoque pas de réponse. Le premier stimulus, celui qui donne normalement la réponse, est dénommé stimulus inconditionnel (SI) du fait qu’aucun apprentissage soit nécessaire pour obtenir une réponse comportementale. Dans le cas de l’expérience de Pavlov, le SI est représenté par la présentation à l’animal d’une boulette de viande, qui provoque la salivation du chien. Le second stimulus, qui ne provoque pas de réponse en première intention, est dénommé stimulus conditionnel (SC) du fait de la nécessité d’apprentissage avant qu’il soit à même de déclencher la réponse comportementale. Dans cette expérience, le SC était un stimulus auditif représenté par le son d’une cloche. L’apprentissage consistait alors à associer la présentation de la viande avec le son de la cloche. Après plusieurs de ces associations, la viande n’était plus présentée et l’animal salivait au simple son de la cloche (SC). La réponse ainsi apprise à la présentation du SC est dénommée réponse conditionnée (RC).

    Le conditionnement instrumental a été découvert à Columbia University à New York par le psychologue Edward Thorndike au tout début du XXe siècle. Dans le conditionnement instrumental, un individu apprend à associer une réponse, par exemple un mouvement, avec un stimulus ayant un sens pour lui, en général une récompense alimentaire. Imaginez ainsi ce qu’il se passe lorsqu’un rat affamé se trouve placé dans une boîte d’expérimentation propre à permettre ce conditionnement, comportant un levier délivrant de la nourriture. C’est en explorant au hasard son nouvel environnement que le rat tombe sur le levier et fait tomber par accident quelques croquettes de nourriture dans la cage. Après que cette heureuse conjonction accidentelle s’est reproduite quelque fois, le rat apprend très vite que l’appui sur le levier déclenche la délivrance de la nourriture, jusqu’à satiété. Comme dans le cas du conditionnement classique, une relation de prédiction est apprise durant l’acquisition du conditionnement instrumental. Dans le conditionnement classique, le sujet apprend qu’un stimulus (le SC) prédit un autre stimulus (le SI). Dans le conditionnement instrumental, le sujet apprend qu’un comportement particulier va être associé avec une conséquence particulière. Du fait que la motivation joue un rôle considérable dans le conditionnement instrumental, les circuits neuronaux impliqués dans ce type de conditionnement sont beaucoup plus complexes que ceux qui sous-tendent le conditionnement classique. » Extrait du livre Neurosciences à la découverte du cerveau (4è édition) par Mark F.Bear ; Barry W.Connors ; Michael A.Paradiso

    Mémoires déclaratives

    Notre expérience quotidienne nous montre que certains souvenirs persistent plus longtemps que d’autres. La mémoire à long terme conserve les souvenirs d’événements dont nous pouvons nous rappeler des jours, des mois, voire des années après leur occurrence. Mais seule une infime partie de ce que nous vivons chaque jour est stockée à long terme. La plupart des informations quotidiennes ne persistent dans le cerveau que quelques heures. Elles relèvent de la mémoire à court terme, qui est très vulnérable. Un traumatisme crânien ou une thérapie électro convulsive peut l’effacer, contrairement aux souvenirs de l’enfance, stockés à long terme.

    Ces observations suggèrent que les événements sont d’abord stockés à court terme, puis qu’une partie est ensuite convertie en souvenirs à long terme par un processus appelé consolidation mnésique.

    La mémoire de travail : un espace limité et actif

    La mémoire de travail est un autre type de stockage temporaire d’informations, d’une durée de quelques secondes. Sa capacité est limitée et elle nécessite la répétition pour maintenir l’information en mémoire. C’est comme si l’on « gardait l’information à l’esprit ». L’exemple classique est la transmission orale d’un numéro de téléphone. On peut le retenir quelques instants en le répétant, mais si le numéro est trop long, cela devient difficile. L’information peut ensuite être transférée dans la mémoire à long terme. La mémoire de travail est utilisée pour évaluer l’empan de la mémoire, c’est-à-dire le nombre maximum d’éléments qu’une personne peut retenir et restituer. En moyenne, l’empan de la mémoire est de 7 éléments plus ou moins 2. La mémoire de travail se distingue de la mémoire à court terme par sa capacité limitée, la nécessité de répétition et sa courte durée.

    Consolidation mnésique et bases de l’engramme

     De nombreuses preuves scientifiques indiquent que la mémoire déclarative, celle qui concerne les faits et les événements, implique un réseau de structures cérébrales interconnectées. Ce réseau est responsable de la capture des informations sensorielles, de la formation des associations entre ces informations, de la consolidation des souvenirs et de leur rappel. Les principales structures de ce réseau incluent l’hippocampe, les aires corticales associées, le diencéphale et le néocortex. D’autres régions cérébrales pourraient également jouer un rôle.

    Plusieurs questions se posent concernant la dimension temporelle de ces processus :

        • Quand et où les souvenirs sont-ils stockés de manière permanente ?

        • Combien de temps faut-il pour qu’un souvenir devienne permanent ?

        • La localisation des souvenirs dans le cerveau change-t-elle avec le temps ?

        • Les expériences ultérieures affectent elles les souvenirs, en les renforçant ou les fragilisant ?

      Modèles de la consolidation mnésique

      Le modèle standard :

          • Développé à partir des observations du patient H.M., ce modèle propose que l’information sensorielle est transmise du néocortex à l’hippocampe pour y être transformée.

          • La consolidation synaptique crée les premières traces du souvenir.

          • Des systèmes de consolidation transfèrent ensuite progressivement les souvenirs vers différentes régions du néocortex pour un stockage permanent.

          • Avant la consolidation, l’hippocampe est nécessaire pour le rappel des souvenirs, mais plus après.

        Le modèle à traces multiples :

            • Proposé par Nadel et Moscovitch, ce modèle vise à expliquer l’amnésie rétrograde dans le modèle standard.

            • L’idée est que l’hippocampe est impliqué dans le stockage à long terme de certains souvenirs, et pas seulement dans la consolidation.

            • Les systèmes de consolidation ne concernent donc pas uniquement les souvenirs stockés dans le néocortex.

          Selon la théorie des traces multiples, les souvenirs à long terme sont principalement stockés dans le néocortex, mais certains d’entre eux impliquent également l’hippocampe. Le concept de « traces multiples » introduit une dimension temporelle graduelle dans le modèle d’amnésie rétrograde après une lésion hippocampique. L’idée est que chaque fois qu’un souvenir épisodique est rappelé, il l’est dans un contexte différent de l’expérience originale. L’information remémorée se combine alors avec de nouveaux engrammes d’informations sensorielles récentes, contribuant à la formation de nouveaux souvenirs impliquant à la fois l’hippocampe et le néocortex.

          La création de nouvelles traces mnésiques pour un souvenir donné renforce sa solidité et le rend plus facile à rappeler. Ce processus explique pourquoi les souvenirs anciens peuvent être si précis et vifs, même après de nombreuses années.

          La reconsolidation

          Contrairement à ce que l’on pensait autrefois, les souvenirs ne sont pas immuables après leur consolidation. Des études, comme celle de Misanin, Miller et Lewis en 1968, ont montré qu’ils peuvent être altérés ou même effacés, même après un certain temps. Des rats ont été conditionnés à associer un son à un choc électrique (conditionnement classique). Après consolidation de la mémoire de la peur, certains rats ont reçu un électrochoc qui a provoqué une amnésie rétrograde, effaçant le souvenir du conditionnement. Lorsque le son a été réactivé le lendemain, la mémoire de la peur a été reconsolidée. Mais cette fois, elle était à nouveau sensible à l’électrochoc, comme si elle venait d’être formée.

          Ces résultats démontrent que la mémoire est un processus dynamique et malléable. La réactivation d’un souvenir le rend vulnérable à l’altération, ce qui ouvre des perspectives pour le traitement des troubles de la mémoire et du stress post-traumatique.

          L’intérêt pour la reconsolidation de la mémoire, ce processus qui rend les souvenirs à nouveau sensibles à l’altération après leur consolidation, s’est accru ces dernières années, y compris chez l’Homme. Des expériences ont montré que la reconsolidation intervient également pour la mémoire épisodique chez l’Homme. Dans l’une d’elles, des étudiants ont mémorisé 20 objets. Le lendemain, après consolidation, on leur a demandé de se souvenir de l’expérience sans nommer les objets. L’objectif était de réactiver les souvenirs et de les reconsolider. Un groupe témoin n’a pas subi cette réactivation. Le troisième jour, tous les étudiants ont reçu une nouvelle liste de 20 objets différents. Le groupe ayant subi la réactivation a inclus « accidentellement » dans sa liste des objets de la deuxième série, contrairement au groupe témoin.

          Ces résultats indiquent que la réactivation d’un souvenir le rend susceptible d’être modifié et reconsolidé, avec un risque de mélange entre les souvenirs. Cela a des implications majeures pour la prise en charge des états de stress post-traumatiques et pour la fiabilité de nos souvenirs en général.

          Mémoire procédurale

          Apprentissage procédural chez le singe et l’homme

          Des études sur les primates ont montré que les effets des lésions cérébrales sont similaires à ceux observé.

          Chez les primates, les lésions de l’hippocampe et du striatum affectent la mémoire de différentes manières. Les lésions du lobe temporal médian, qui inclut l’hippocampe, altèrent la mémoire déclarative, comme le montre l’épreuve de DNMS. En revanche, les lésions du striatum n’ont que peu d’effet sur ce type de mémoires chez les rongeurs.

          Dans les deux cas, les lésions n’affectent que peu la mémoire procédurale, qui est la capacité à apprendre des séquences d’actions et des associations entre stimuli et réponses. Chez le singe, la lésion du lobe temporal médian n’empêche pas l’animal de retrouver sa récompense dans un labyrinthe, et chez le rat, la lésion du fornix n’affecte pas sa capacité à associer un stimulus à une récompense. Ces résultats ont des implications pour la compréhension des pathologies humaines qui affectent les ganglions de la base, comme la chorée de Huntington. Dans cette maladie, la dégénérescence des neurones dans le striatum affecte la capacité à apprendre des associations stimulus réponse. Les difficultés motrices observées dans la chorée de Huntington ne sont pas directement liées aux troubles de l’apprentissage. Cela suggère que des mécanismes distincts sont responsables de ces deux types de symptômes.

          Des études sur des patients souffrant de la maladie de Parkinson et d’amnésie ont permis de mieux comprendre les rôles distincts du striatum et de l’hippocampe dans la mémoire. Dans une étude, les patients parkinsoniens et amnésiques ont été confrontés à deux types de tâches. La première tâche consistait à apprendre une association entre des combinaisons de cartes et la prédiction du temps (ensoleillé ou pluvieux). Cette tâche implique la mémoire procédurale, car elle repose sur l’apprentissage d’une séquence d’actions et d’une association entre stimuli et réponses.

          Les patients parkinsoniens ont rencontré des difficultés dans l’apprentissage de cette association, tandis que les patients amnésiques ont réussi la tâche sans problème. Cela suggère que le striatum, qui est affecté par la maladie de Parkinson, joue un rôle crucial dans la mémoire procédurale. La deuxième tâche testait la mémoire déclarative des patients en leur demandant de répondre à des questions à choix multiples. Les patients parkinsoniens ont réussi cette tâche, tandis que les patients amnésiques ont rencontré des difficultés. Cela confirme que l’hippocampe, qui est affecté par l’amnésie, est essentiel pour la mémoire déclarative.

          Ces résultats indiquent que le striatum et l’hippocampe sont des structures cérébrales distinctes qui contribuent à différents types de mémoire. Le striatum est important pour la mémoire procédurale, tandis que l’hippocampe est crucial pour la mémoire déclarative.

          Conclusion

          Contrairement à un ordinateur aux connexions immuables, le cerveau humain est en constante évolution, modelé par nos expériences. La mémoire de travail nous permet de stocker temporairement des informations utiles, tandis que les informations sensorielles sont intégrées et assemblées en engrammes permanents dans notre mémoire à long terme.

          Souvenez vous de votre apprentissage du vélo, une séquence de mouvements désormais ancrée dans votre inconscient. De même, après avoir appris les bases de l’anatomie cérébrale, vous pouvez impressionner votre tante en décrivant précisément la localisation du tronc cérébral et du bulbe rachidien.

          Même si les neurones et les synapses impliqués dans la mémoire déclarative et non déclarative restent un mystère, les recherches récentes éclairent les mécanismes de la mémorisation. L’apprentissage et la mémoire ne se limitent pas à une seule zone du cerveau, mais impliquent des modifications d’activité dans un réseau complexe de structures cérébrales réparties. Le lobe temporal médian et le néocortex jouent un rôle crucial dans le stockage des souvenirs, tandis que l’hippocampe et d’autres structures interagissent étroitement pour les consolider. Déterminer le rôle précis de chaque structure dans ce processus fascinant reste un défi majeur pour les chercheurs.

          Les souvenirs ne sont pas tous identiques. Ils peuvent être classés selon leur durée, le type d’information qu’ils contiennent et les structures cérébrales impliquées dans leur formation. Les premiers travaux sur la mémoire s’attachaient à étudier l’impact de lésions cérébrales sur différentes fonctions cognitives, en analysant les types d’amnésie qui en résultaient. Le cas célèbre de H.M., un patient amnésique qui a subi une ablation de l’hippocampe, a apporté une contribution considérable à la compréhension de la mémoire humaine. Le fait que H.M. ait conservé certains types de mémoire tout en perdant d’autres a permis de mettre en évidence l’existence de différents systèmes de mémorisation, distincts par leur nature et leur fonctionnement. Des technologies de pointe comme l’imagerie cérébrale fonctionnelle chez l’homme et la génétique fonctionnelle chez l’animal permettent aujourd’hui d’aller plus loin dans l’exploration des mécanismes de la mémoire. En observant l’activité cérébrale en temps réel et en identifiant les gènes impliqués dans la formation et la consolidation des souvenirs, les chercheurs espèrent percer les secrets de ce processus complexe. Ces progrès font naître l’espoir de pouvoir un jour développer des traitements pour les différentes formes d’amnésie et les troubles de la mémoire, ainsi que pour les souvenirs traumatiques qui hantent les victimes de stress post-traumatique.

          La recherche sur la mémoire ne se résume pas à la simple accumulation de connaissances scientifiques. En démystifiant les mécanismes qui nous permettent de stocker et de remémorer des informations, elle nous éclaire sur la nature même de la conscience et du fonctionnement du cerveau. C’est un voyage fascinant qui ne cesse de nous surprendre et qui promet de révolutionner notre compréhension de l’être humain.

          Une question, un projet ?