Contrôle flexible de la mémoire de travail séquentielle dans le cortex frontal des macaques

Recherche sur le Contexte

Dans notre vie quotidienne, la mémoire de travail séquentielle (Sequence Working Memory, abrégée SWM) est cruciale, par exemple, lors de la saisie d’une date de naissance, il faut se rappeler et organiser l’année, le mois et le jour dans un ordre spécifique. Cependant, comment le cerveau réalise-t-il le contrôle de l’information dans la mémoire séquentielle et comment trie-t-il l’information de manière flexible selon les exigences des différentes tâches? Cela reste une énigme dans le domaine des neurosciences. Pour explorer plus en profondeur ce processus, Jingwen Chen et d’autres chercheurs ont publié dans la revue “Neuron” l’article intitulé “Flexible Control of Sequence Working Memory in the Macaque Frontal Cortex”. Cette recherche a été menée conjointement par des chercheurs de l’Institut des neurosciences de l’Académie des sciences de Chine, du Département de psychologie de l’Université de New York aux États-Unis, du Laboratoire de Lingang à Shanghai, entre autres. Ils ont examiné les enregistrements électrophysiologiques du cortex préfrontal du macaque pour étudier les dynamiques neuronales et les mécanismes de contrôle de la mémoire séquentielle lors de l’exécution de tâches de mémoire en avant et en arrière dans le cerveau des macaques.

Objectif de la Recherche

La recherche vise à révéler l’organisation et les caractéristiques dynamiques de l’activité neuronale dans le cortex préfrontal lors de l’exécution de tâches de mémoire de travail séquentielle, afin d’explorer s’il existe des sous-espaces sensoriels et mnésiques indépendants à faible dimension pour supporter le contenu de la mémoire de travail, ce qui soutiendrait le contrôle flexible de celle-ci. De plus, l’étude porte également sur l’activité neuronale dans les essais incorrects individuels, espérant comprendre plus en profondeur le processus d’exécution du contrôle de la mémoire séquentielle dans le cerveau en comparant les réactions neuronales correctes et incorrectes.

Méthodes et Processus de Recherche

L’équipe de recherche a implanté un tableau d’électrodes microdrive de 157 canaux dans les régions du cortex préfrontal et prémoteur des macaques et a collecté des signaux d’activité neuronale lors de l’exécution de tâches de mémoire séquentielle à l’aide d’un système d’enregistrement électrophysiologique. Le processus expérimental spécifique est le suivant :

Conception Expérimentale et Configuration des Tâches

L’expérimentation a entraîné trois macaques (désignés O, G, L) à apprendre et à accomplir une tâche de tri séquentiel avec délai. La tâche se divise en deux types : “tri en avant” et “tri en arrière”. Dans le “tri en avant”, les macaques doivent toucher les positions correspondantes à l’écran dans l’ordre de présentation. Dans le “tri en arrière”, ils doivent toucher les éléments dans l’ordre inverse de leur présentation. Pendant la tâche, les chercheurs présentent aléatoirement de 1 à 3 éléments de différentes positions spatiales, que les macaques doivent répéter selon la séquence de présentation après une courte période de délai.

Enregistrement Neuronal et Réponse de Neurone Unique

Dans l’enregistrement des données électrophysiologiques, un total de 6 790 neurones ont été enregistrés. L’équipe de recherche a analysé les caractéristiques de réponse des neurones uniques et a découvert que l’activité de ceux-ci se divise en deux types : “déclenchée par le stimulus” et “maintenue durant le délai”. Certains neurones ont montré un encodage bref d’éléments spécifiques lors de la présentation du stimulus, tandis que d’autres ont présenté une activité continue pendant la période de délai, combinant les informations spatiales et séquentielles des éléments et montrant des caractéristiques d’encodage conjoint. Les recherches ont en outre révélé que ces deux types d’activités neuronales ne sont pas indépendants, mais profondément entrelacés au niveau d’un neurone unique.

Dynamiques du Sous-espace Neuronal dans la Tâche en Avant

Dans la tâche en avant, les chercheurs ont identifié, grâce à une technique de décomposition de faible dimensionnalité, un “sous-espace sensoriel” et trois “sous-espaces mémoriels” correspondant à différents niveaux de mémoire. Dans le sous-espace sensoriel, l’information des éléments se détériorait rapidement dans les 300 millisecondes suivant la fin du stimulus, tandis que dans les sous-espaces mémoriels, l’information des éléments pouvait être maintenue de manière continue, formant une structure cyclique stable. Cela indique que différents contenus de mémoire sont représentés de manière ordonnée et indépendante dans l’espace des états neuronaux du cerveau.

Mécanisme de Contrôle Flexible dans la Tâche en Arrière

Dans la tâche en arrière, les macaques devaient rappeler les éléments dans l’ordre inverse et entrer successivement dans les sous-espaces mémoriels. Les chercheurs ont découvert que le mécanisme de contrôle séquentiel dans la tâche en arrière était plus complexe, nécessitant un contrôle flexible de la sélection des sous-espaces mémoriels. Contrairement à la tâche en avant, dans la tâche en arrière, l’information des éléments entrait progressivement dans les sous-espaces mémoriels correspondants après la présentation des stimuli, et selon la longueur et les exigences de la séquence de la tâche, le temps d’entrée des éléments dans les sous-espaces variait. Ce processus reflète l’existence d’un mécanisme de contrôle flexible dans le cerveau, capable d’ajuster l’ordre et le timing du flux d’information selon les exigences des tâches.

Résultats de la Recherche

Reconnaissance et Indépendance du Sous-espace Neuronal

Les recherches ont montré que le cortex préfrontal du cerveau, dans les tâches de mémoire séquentielle, pouvait répartir les informations sensorielles et mnésiques dans différents sous-espaces de faible dimension, réalisant un contrôle et un maintien flexibles de l’information en contrôlant séparément les états d’activation de ces sous-espaces. Les neurones dans le cortex préfrontal peuvent non seulement montrer une séparation des sensations et des mémoires au sein du même groupe neuronal, mais aussi afficher des sous-espaces indépendants et quasi-orthogonaux dont les changements dynamiques sont étroitement liés aux exigences des tâches.

Prédictions Neuronales lors des Essais Uniques

En analysant l’activité neuronale lors des essais incorrects, les chercheurs ont découvert qu’en cas d’erreur, les dynamiques neuronales pouvaient prédire avec précision le type de comportement des macaques (erreur de séquence ou erreur de l’élément). Par exemple, lorsque les macaques confondaient l’ordre des éléments dans une tâche séquentielle, l’information de l’élément était enregistrée dans le mauvais sous-espace mémoriel, montrant une mauvaise opération du système de contrôle du cerveau. De plus, l’analyse a montré que lorsque les éléments incorrects étaient proches des éléments cibles au niveau de leurs positions, les éléments cibles et incorrects pouvaient interférer ou entrer en compétition durant la période de délai. Cette découverte a confirmé que le mécanisme de contrôle par sous-espace pouvait simuler la bonne opération même lors d’erreurs, révélant le processus dynamique neuronal de la mémoire séquentielle.

Flexibilité du Contrôle Neuronal

Les chercheurs ont également mené des tests de généralisation inter-tâches, explorant le degré de partage des sous-espaces neuronaux entre les tâches en avant et en arrière. Ils ont découvert que l’activité neuronale du cortex préfrontal des macaques pouvait non seulement démontrer un partage des sous-espaces dans les deux tâches, mais que ces sous-espaces pouvaient être ajustés et combinés dynamiquement selon les exigences des tâches. Cela indique que le système de contrôle du cerveau possède une capacité de contrôle abstrait hautement flexible, capable d’ajuster le flux d’information pour répondre à diverses exigences des tâches de tri de mémoire.

Conclusion et Signification de la Recherche

Cette recherche a révélé la manière d’organisation dynamique du contrôle de la mémoire de travail séquentielle dans les groupes neuronaux du cortex préfrontal des macaques, proposant un modèle de contrôle universel pouvant soutenir un processus flexible de mémoire de travail séquentielle. Les recherches ont montré que le cerveau organise les sous-espaces de faible dimension pour stocker séparément les informations sensorielles et les informations séquentielles de différents niveaux de mémoire, les régulant de manière flexible au sein des groupes neuronaux du cortex préfrontal pour soutenir les tâches de tri flexibles. Ce mécanisme est d’une importance significative dans le domaine des neurosciences cognitives, offrant une nouvelle perspective pour comprendre les mécanismes neuronaux de la mémoire de travail.

Points Forts de la Recherche

1. Méthode de Décomposition en Sous-espace Innovante: Cette étude montre, à l’aide de technologies de décomposition en sous-espaces de faible dimension, la représentation indépendante des informations sensorielles et mnésiques dans la mémoire séquentielle.

2. Mécanisme de Contrôle de la Mémoire Flexible: Le cerveau peut trier et sélectionner de manière flexible les informations mnésiques selon les exigences des différentes tâches, démontrant la flexibilité des groupes neuronaux du cortex préfrontal dans le contrôle cognitif.

3. Précision Neuronale dans la Prédiction d’Essais Uniques: L’étude a montré que même en conditions d’erreur, les dynamiques neuronales pouvaient prédire avec précision le type d’erreur des macaques, soutenant la compréhension du codage neuronal dans le processus de contrôle de la mémoire.

Perspectives d’Application

Cette recherche a une valeur d’application importante dans le domaine des neurosciences et du contrôle cognitif. L’exploration de la flexibilité du flux d’informations contrôlé par le cerveau et de l’organisation de la mémoire séquentielle peut fournir des références pour l’intelligence artificielle, les interfaces cerveau-machine ainsi que pour les stratégies de traitement des troubles cognitifs.