Pourquoi l'hibernation pourrait révolutionner notre mémoire ?

LE CERVEAU, UNE MACHINE À SYNAPSES

Le cerveau stocke nos souvenirs en renforçant les connexions entre les neurones, appelées synapses. Quand on apprend quelque chose, ces liens deviennent plus solides et plus gros. Mais il y a un problème : ces connexions changent sans arrêt. Kazumasa Tanaka, neuroscientifique à l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa au Japon, explique : « Si tu compares l’organisation de ces connexions un jour et quatre ou cinq jours plus tard, c’est très, très différent. » Le cerveau est en constante évolution, comme un chantier permanent où les routes (les synapses) se modifient sans cesse.

UNE EXPÉRIENCE EXTRÊME POUR TESTER LA MÉMOIRE

Pour comprendre comment une mémoire peut durer des années alors que le cerveau se transforme en permanence, Tanaka et son équipe ont décidé de pousser l’expérience à l’extrême. Ils ont plongé des souris dans un état proche de l’hibernation, un état qui efface plus de la moitié de leurs synapses. Résultat : les souris ont conservé leurs souvenirs malgré cette perte massive. Une découverte qui remet en cause les théories actuelles sur la mémoire.

LA CLÉ : UN CIRCUIT CÉRÉBRAL DÉCOUVERT DANS LE CERVEAU

L’hibernation est un phénomène naturel chez les écureuils, les hamsters ou les ours. Mais ce qui est surprenant, c’est que même les souris, qui ne hibernent pas dans la nature, possèdent dans leur cerveau un circuit neuronal capable de déclencher cet état. En juin 2020, une équipe de chercheurs dirigée par Takeshi Sakurai, neuroscientifique à l’Université de Tsukuba, a mis au point une technique pour activer artificiellement ce circuit. En stimulant une population de neurones appelée « neurones Q » dans une région du cerveau appelée hypothalamus, ils ont réussi à plonger les souris dans un état d’hypothermie et d’hypométabolisme contrôlé, baptisé QIH (pour « Q-neuron-induced hypothermia and hypometabolism »).

LE QIH, UN ÉTAT INTERMÉDIAIRE ENTRE LA VIE ET LA MORT

Avec ce protocole, Tanaka explique que « la température corporelle des souris descend autour de 20 °C, et leur rythme cardiaque ainsi que leur respiration diminuent de manière significative. » Cet état se situe entre deux extrêmes : d’un côté, les ours qui réduisent leur métabolisme sans faire chuter leur température, et de l’autre, certains écureuils dont la température corporelle peut frôler le gel. Le QIH est donc un état artificiel, contrôlable à volonté. Dans les expériences de Tanaka, les souris sont restées 48 heures dans cet état avant de se réveiller.

UNE EFFACE COMME CELLE DE THANOS

Pour les synapses, ces 48 heures ont été un véritable cataclysme. Tanaka et son équipe ont implanté des tétrodes, des faisceaux d’électrodes fines, dans l’hippocampe de souris en mouvement libre. Ces dispositifs leur ont permis d’enregistrer l’activité des neurones individuels. Résultat : l’activité cérébrale a chuté de 70 % une fois l’hibernation déclenchée. Les tissus cérébraux de certains animaux ont été analysés avant, pendant et après l’hibernation grâce à une technique appelée microscopie électronique à balayage en bloc sériel. Cette méthode permet de visualiser les synapses en trois dimensions. Les chercheurs ont découvert que l’hibernation avait éliminé plus de la moitié des synapses, un phénomène qui, en théorie, aurait dû effacer la plupart des souvenirs.

DES SOURIS QUI SE SOUVIENNENT APRÈS UNE PURGE CÉRÉBRALE

Avant l’hibernation, les souris avaient été entraînées à deux tâches de mémoire standard. La première était un conditionnement de peur contextuelle, où l’animal apprend à associer une boîte spécifique à un léger choc électrique. La seconde était une tâche de labyrinthe en croix, où la souris doit trouver son chemin vers une récompense. Ces deux tests dépendent de la mémoire stockée dans l’hippocampe, ce que l’équipe a confirmé en créant une lésion dans cette région après l’entraînement : les souvenirs disparaissaient.

Pourtant, lorsque d’autres souris placées en QIH se réveillaient, elles réussissaient ces tâches aussi bien que celles qui n’avaient pas hiberné. Tanaka affirme : « Ce que nous avons découvert dans ces deux paradigmes comportementaux, c’est que la mémoire était totalement intacte. »

LA PREUVE PAR L’ACTIVITÉ CÉRÉBRALE

La survie de ces souvenirs malgré la perte de synapses a également été confirmée par des enregistrements d’activité cérébrale. Les cellules de lieu, des neurones de l’hippocampe qui s’activent quand l’animal se trouve à un endroit précis, continuaient de s’activer aux mêmes endroits après le réveil. Un décodeur capable de lire l’activité de ces cellules pouvait reconstruire la position de la souris avec la même précision qu’avant l’hibernation.

LES SYNAPSES DISPARUES REVIENNENT À LEUR PLACE

En observant les mêmes dendrites (les prolongements des neurones) pendant huit jours, les chercheurs ont remarqué que les synapses disparues pendant l’hibernation réapparaissaient après le réveil. Surprise : 82 % d’entre elles revenaient exactement au même endroit sur la même dendrite qu’avant, bien au-dessus de ce que le hasard aurait pu produire. Les synapses effacées n’étaient pas non plus un échantillon aléatoire. Tanaka explique : « Les synapses d’engramme situées seules sur une dendrite étaient éliminées par l’hibernation, tandis que celles organisées en groupes serrés étaient préservées. » Les synapses d’engramme sont des connexions spécialisées entre des neurones qui stockent la mémoire.

POURQUOI LES GROUPES DE SYNAPSES SONT-ILS PROTÉGÉS ?

Pourquoi les synapses organisées en clusters résistent-elles mieux ? Tanaka admet : « Nous ne savons pas. C’est l’un des projets en cours dans le laboratoire. » Mais les chercheurs ont pu étudier l’architecture de ces groupes survivants. En traçant ces clusters, ils ont découvert qu’un tiers des synapses d’engramme en cluster étaient attachées à ce qu’on appelle un bouton multisynaptique. Tanaka précise : « Normalement, un seul terminal présynaptique (l’extrémité d’un neurone qui envoie le signal) fait une connexion synaptique avec une seule épine postsynaptique (la partie du neurone qui reçoit le signal) : une relation un pour un. Dans les boutons multisynaptiques, un seul terminal présynaptique établit des connexions avec plusieurs épines postsynaptiques. C’est une structure rare, difficile à trouver dans le cerveau. »

UNE STRUCTURE RARE QUI DÉFIE LES THÉORIES

Dans les synapses choisies au hasard chez des souris non hibernantes, seulement 3,3 % étaient situées sur un bouton multisynaptique. Les synapses d’engramme en cluster étaient, si l’on peut dire, légèrement plus petites que leurs voisines : elles n’étaient pas les connexions élargies et renforcées que le modèle classique prédirait. Pour vérifier que ce motif était bien lié à la mémoire et non à une perte générale de synapses, l’équipe a mené une expérience témoin : elle a soumis un groupe de souris à une longue anesthésie combinée à de la cytochalasine D, un médicament qui bloque l’élargissement et la stabilisation des connexions synaptiques. Cette combinaison, comme le QIH, a supprimé l’activité neuronale et éliminé une part comparable de synapses. Pourtant, les souris sont sorties de cet état avec une mémoire de peur altérée. Chez ces animaux, les synapses d’engramme en cluster avaient été détruites sans distinction, comme toutes les autres synapses.

UNE ASSOCIATION, PAS UNE CAUSE

Tanaka met en garde : « C’est une limitation majeure de cette étude. À l’heure actuelle, il n’existe aucun moyen de manipuler le regroupement des connexions synaptiques d’engramme sans compromettre d’autres aspects des synapses et du réseau. » Autrement dit, impossible de désactiver sélectivement ces clusters pour voir si les souvenirs disparaissent avec eux. « C’est une étude associative plutôt qu’un test de causalité », avertit Tanaka. Mais si ces résultats se confirment, cela pourrait indiquer qu’une mémoire n’a pas besoin d’une synapse particulière pour survivre, tant que l’architecture neuronale environnante est préservée.

LE CERVEAU REVIENT-IL À SES RÉGLAGES D’USINE ?

Le laboratoire de Tanaka explore une piste encore plus étrange et potentiellement révolutionnaire : et si le cerveau, après une hibernation, ne retrouvait pas son état précédent, mais un état préféré, comme des réglages d’usine ? Pour tester cette hypothèse, l’équipe a induit une brève hibernation artificielle chez des souris génétiquement modifiées pour être un modèle d’épilepsie, juste avant que les crises ne se développent chez ces animaux. Tanaka affirme : « Nous avons constaté que le Développement de l’épilepsie était totalement supprimé après l’hibernation, sans aucune manipulation supplémentaire. » Selon lui, cela suggère que le cerveau, après une hibernation, revient à un état de réseau par défaut, comme s’il retrouvait ses réglages d’usine plutôt que de simplement reprendre là où il s’était arrêté.

VERS DES APPLICATIONS FUTURES ?

Tanaka précise que ces résultats sur l’épilepsie sont encore non publiés. Il espère que son équipe les inclura dans un prochain article. Même si ces premières observations sont confirmées, il faudra encore beaucoup de temps avant que ces découvertes ne trouvent des applications cliniques chez l’humain. « Il reste tellement de défis à relever : des mesures de sécurité plus rigoureuses, et des questions éthiques également », explique Tanaka. « Toutes les études menées jusqu’à présent l’ont été sur des souris. Nous devons passer aux rats ou aux singes pour voir si l’hibernation artificielle a un réel impact sur le fonctionnement du cerveau ou non. Il reste tant de choses à faire. »

UNE RÉVOLUTION EN DEVENIR

Cette découverte bouleverse notre compréhension de la mémoire et de la plasticité cérébrale. Elle ouvre la porte à de nouvelles questions : comment l’architecture neuronale préserve-t-elle les souvenirs malgré la perte de synapses ? Pourquoi certains groupes de synapses résistent-ils mieux que d’autres ? Et surtout, pourrait-on un jour exploiter ces mécanismes pour protéger le cerveau humain ? Pour l’instant, une chose est sûre : le cerveau est bien plus résilient et mystérieux qu’on ne le pensait.