Dès Platon et Aristote, les gens croyaient que nos souvenirs devaient être des choses physiques stockées quelque part dans le cerveau. Mais ce n’est qu’à l’époque moderne que nous avons appris beaucoup de choses sur ce qu’est ce quelque chose. Tout d’abord, ce quelque chose a reçu un nom : l’engramme mémoriel. Puis, à mesure que les connaissances s’accumulaient sur ce qui se passe dans les neurones et leurs synapses lorsqu’ils deviennent actifs dans l’apprentissage et la mémorisation, il est devenu clair que les événements d’apprentissage dont on pouvait se souvenir provoquaient des changements chimiques et physiques dans les jonctions (synapses) entre les neurones qui participent à l’expérience d’apprentissage.
Les neurones participants développent de nouvelles branches dendritiques (appelées épines), et les synapses sur ces épines s’agrandissent, et leurs systèmes de neurotransmetteurs s’améliorent. Ces changements constituent l’engramme. La réactivation post-apprentissage des synapses détenant un tel engramme peut produire un rappel de l’apprentissage initial qui a créé l’engramme.
Au début des neurosciences, les scientifiques pensaient que les expériences d’apprentissage assignaient ou recrutaient certaines parties du cerveau pour conserver la mémoire. Un expérimentateur, Karl Lashley, a enseigné certaines tâches à des animaux de laboratoire puis, sous anesthésie, a détruit différentes parties du néocortex dans l’espoir de trouver où la mémoire était stockée. Il n’a pas trouvé d’emplacement de stockage particulier. Ce qu’il a découvert, c’est que plus les lésions corticales étaient étendues, plus il était possible d’effacer la mémoire. En d’autres termes, la mémoire d’une expérience donnée semblait être déconstruite et morcelée dans différentes régions.
Puis sont venues les études EEG quantitatives d’E. Roy John, dans lesquelles il a suivi l’emplacement des réponses électriques cérébrales provoquées dans différentes parties du cortex pendant les expériences d’apprentissage. Il a constaté qu’une expérience d’apprentissage donnée produisait des réponses électriques dans plusieurs parties du cortex, suggérant à nouveau une déconstruction et une distribution des engrammes de mémoire. Cela l’a conduit à proclamer de façon célèbre : « La mémoire n’est pas une chose dans un lieu, mais un processus dans une population. »
Bien, nous savons que c’est un peu exagéré. Il existe une chose telle qu’un engramme de mémoire qui est stocké dans des endroits spécifiques. Néanmoins, il existe un processus de distribution pour créer l’engramme à plusieurs endroits et pour les orchestrer en une activité simultanée et coordonnée pendant le rappel du souvenir.
Le génie génétique moderne et la technologie de coloration des neurones fournissent de nouveaux outils puissants pour examiner les neurones qui participent à la jonction des circuits neuronaux impliqués dans les engrammes. Il existe désormais des moyens d’imager et de manipuler les engrammes au niveau des ensembles neuronaux. Plusieurs lignes de preuves montrent que les neurones d’engramme peuvent être vus histologiquement et évalués dans le cadre de diverses approches expérimentales.
Par exemple, les taches histologiques révélant les neurones qui sont activés par une expérience d’apprentissage montrent qu’ils sont également actifs pendant la récupération de la mémoire de cette expérience. Deuxièmement, les études de perte de fonction montrent que l’altération de la fonction des neurones engrammes après une expérience altère la récupération ultérieure de la mémoire. Troisièmement, des études montrent que la récupération de la mémoire peut être déclenchée par la stimulation optogénétique des neurones engrammes en l’absence de tout indice naturel de récupération sensorielle.
L’approche de base utilisée par les chercheurs du laboratoire de Susumu Tonegawa consistait à apprendre aux souris à éviter de marcher dans une chambre dans laquelle elles recevraient un léger choc électrique. Les neurones activés par ce conditionnement à la peur fluorescent dans les colorations immunohistologiques de tranches de cerveau de souris sacrifiées à différents moments après l’apprentissage révèlent un engramme mémoriel qui réside dans des neurones sélectionnés de l’amygdale (qui traite les informations relatives à la peur), dans l’hippocampe (qui convertit la mémoire à court terme en mémoire à plus long terme) et dans plusieurs régions du néocortex (qui détient la mémoire à long terme sous la forme d’une capacité synaptique accrue). Certaines de ces cellules sont encore fluorescentes lorsqu’on les examine plusieurs jours plus tard, ce qui indique qu’elles font désormais partie d’un ensemble de neurones engrammes qui détiennent une représentation relativement durable de l’expérience apprise originale.
D’autres souris ont été génétiquement modifiées pour que les cellules engrammes soient fluorescentes et activées lorsqu’elles sont exposées à une lumière délivrée par des câbles à microfibres optiques implantés chirurgicalement dans diverses régions du néocortex. Cette stimulation lumineuse des cellules d’engramme a confirmé leur statut d’engramme, car la stimulation lumineuse seule a déclenché le comportement appris précédemment (rester figé sur place plutôt que d’entrer dans la chambre de choc). L’une des principales conclusions est que les neurones engrammes du cortex préfrontal étaient « silencieux » peu de temps après l’apprentissage : ils pouvaient déclencher le comportement de congélation lorsqu’ils étaient activés artificiellement par la lumière délivrée par des filaments de fibre optique implantés chirurgicalement, mais ils ne se déclenchaient pas lors du rappel naturel de la mémoire. En d’autres termes, l’engramme de mémoire s’est formé tout de suite aux trois endroits (amygdale, hippocampe et néocortex), mais les cellules d’engramme du néocortex ont dû mûrir au fil du temps pour devenir pleinement fonctionnelles.
Au cours des deux semaines suivantes, les neurones d’engramme du néocortex ont progressivement mûri, comme en témoignent les changements dans leur anatomie et leur activité physiologique. À la fin de cette même période, les cellules engrammes de l’hippocampe sont devenues silencieuses et n’étaient plus utilisées pour le rappel naturel. À ce stade, les souris pouvaient se souvenir naturellement de l’événement, sans activation des cellules néocorticales par la lumière de la fibre optique. Cependant, des traces de la mémoire sont restées dans l’hippocampe, car la réactivation de ces neurones hippocampiques avec de la lumière a incité les animaux à se figer.
L’opinion dominante passée était que les expériences d’apprentissage sont temporairement conservées dans des circuits de l’hippocampe, puis exportées plus tard vers d’autres parties du cerveau pour un stockage final. Dans le passé comme aujourd’hui, tout indique que l’hippocampe est crucial pour la formation de souvenirs durables d’expériences qui n’impliquent pas d’apprentissage moteur, mais les mécanismes étaient incertains. Les neuroscientifiques savaient en revanche que les souvenirs à long terme étaient stockés en dehors de l’hippocampe, car les personnes présentant des lésions de l’hippocampe peuvent perdre la capacité de former de nouveaux souvenirs à long terme, mais elles sont toujours capables de se rappeler d’anciens souvenirs.
Maintenant, la nouvelle recherche suggère que les engrammes de mémoire ne sont pas transportés de l’hippocampe au néocortex, mais qu’ils sont présents dans les deux endroits au début de l’apprentissage. L’engramme mémoriel dans le néocortex nécessite simplement une maturation pour que le souvenir devienne plus permanent. De plus, l’hippocampe ne peut pas, et n’a pas besoin, de contenir des engrammes durables.
Bien qu’il s’agisse d’une nouvelle façon d’envisager les mécanismes de consolidation des souvenirs temporaires en souvenirs plus durables, l’idée conventionnelle de la consolidation reste confirmée. C’est-à-dire que l’engramme de mémoire doit mûrir au fil du temps sous la forme de changements biochimiques et anatomiques dans les cellules de l’engramme. Il est évident qu’un tel processus de maturation serait perturbé si ces mêmes cellules d’engramme étaient recrutées à d’autres fins d’apprentissage avant d’avoir terminé leur maturation en tant qu’engramme de mémoire spécifique. Cela permet également d’expliquer pourquoi les répétitions ultérieures contribuent à faire durer les souvenirs plus longtemps, car chaque répétition réengage les neurones engrammes dans le même type d’activité qu’ils ont effectué pendant l’apprentissage, renforçant ainsi les synapses correspondantes.
Une fois les souvenirs formés chez les souris conditionnées à la peur, les cellules engrammes de l’amygdale sont restées inchangées tout au long de l’expérience. Ces cellules, qui sont nécessaires pour évoquer les émotions liées à des souvenirs spécifiques, comme la peur d’entrer dans la chambre de choc dans ce cas, communiquent avec des cellules engrammes à la fois dans l’hippocampe et le cortex préfrontal.
Nous ne savons pas ce qui arrive aux cellules engrammes spécifiques aux souvenirs dans l’hippocampe. Peut-être qu’en perdant progressivement leur statut d’engramme, elles deviennent disponibles pour traiter de nouveaux types d’expériences d’apprentissage. Peut-être que certaines traces d’engrammes restent dans l’hippocampe et peuvent être réactivées en cas de réception d’entrées très pertinentes, comme ce pourrait être le cas avec des indices de mémoire forts. Le point important est peut-être que ces nouvelles techniques de marquage des cellules d’engramme ouvrent la porte à de nouvelles façons d’étudier la récupération de la mémoire, l’aspect longtemps négligé des mécanismes de la mémoire.
Une autre découverte potentiellement pertinente de ce type de recherche est que les engrammes de mémoire peuvent être endommagés mais peuvent encore exister sous une forme qui ne peut pas être récupérée par des moyens naturels. Le fait que de tels engrammes « silencieux » puissent être récupérés par stimulation optogénétique directe indique que les échecs de rappel ne signifient pas nécessairement que la mémoire est perdue. Le problème peut résider dans une inadéquation des indices de mémoire naturels utilisés pour déclencher la récupération de la mémoire.
La porte est également maintenant ouverte pour des expériences qui pourraient faire progresser notre compréhension de la maturation des neurones engrammes dans le néocortex. Ce que l’on sait jusqu’à présent, c’est que la maturation nécessite une communication initiale avec les cellules engrammes de l’hippocampe. La perturbation des connexions entre l’hippocampe et le cortex frontal empêche la maturation des cellules engrammes néocorticales.