Bases neurophysiologiques de la mémoire

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1 DGSM3 UE Système Neurosensoriel Fonctions supérieures Bases neurophysiologiques de la mémoire Professeur Yves DAUVILLIERS Bases neurophysiologiques de la mémoire Département de Physiologie CHU Montpellier Bases neurophysiologiques de la mémoire Professeur Yves DAUVILLIERS Département de Physiologie CHU Montpellier Plan du cours Classification des différents types de mémoire Mémoire à court terme Mémoire à long terme (Explicite, Implicite) Structures cérébrales impliquées Mécanismes moléculaires de la mémoire: Plasticité synaptique: Potentialisation à long terme Synapse glutamatergique Principales atteintes de la mémoire Conclusion 1

2 Objectifs du cours La mémoire Connaître la classification des différents types de mémoire Décrire les structures impliquées dans les types de mémoires à court terme et à long terme Expliquer le modèle de plasticité synaptique de la mémoire à long terme Encodage Dépend de : Attention/ Motivation Stockage Mémoire = Trace biologique constituée de stocks de souvenirs Apprentissage = Changement de comportement Réponse «adaptée» à un stimulus donné Rappel Dépend de : Attention/ Motivation Les différentes formes de mémoire Stimulus Organes sensoriels PERCEPTION Mémoire sensorielle ATTENTION Mémoire à court terme Mémoire de travail Mémoire à long terme < 1s < 1min ENCODAGE CONSOLIDATION OUBLI J, mois, années Mémoire à court terme/ Mémoire de travail Mémoire à court terme: MCT Activée par la mémoire sensorielle Dépend de l attention Capacité limitée (empan de 7 ± 2 items) Disponibilité temporaire (1 min) Permet l oubli physiologique Passage non obligatoire pour la mémoire à long terme Mémoire de travail = Modèle fonctionnel de la MCT Manipulation des informations stockés dans MCT Localisation: Cortex préfrontal 2

3 Organisation de la consolidation mnésique Mémoire à Long Terme: Amnésie focalisée Mémoire à court terme Consolidation Mémoire à long terme Approches expérimentales chez l homme: 1950 Stimulation préopératoire du néocortex: Remémoration de souvenirs anciens Récupération Ablation de partie du néocortex (en cas de tumeurs ) Amnésie focalisée Stimulus Information visuelle, auditive. à conserver Réponse Usage de l information mise en réserve Néocortex: Siège de: - Perception de l information sensorielle - Conservation de Mémoire à long terme Spécialisation des zones néocorticales: Amnésie focalisée Mémoire à long Terme: Amnésie globale Approches expérimentales chez l homme: Cas du patient HM: 1957 Chirurgie temporale médiale bilatérale: Epilepsie temporale sévère Guérison de l épilepsie Amnésie globale antérograde Souvenirs préservés de période pré-chirurgicale Persistance de certaines capacités mnésiques i Partie temporale médiane: = Implication dans l encodage siège des souvenirs (Néocortex) i Existence de 2 types de mémoire à long terme Structures cérébrales : Spécialisation Approches expérimentales animales Modèle avec tâche de reconnaissance visuelle chez le singe Si lésion de partie temporale médiane : Réponses au hasard Approches expérimentales récentes chez l homme: Imagerie fonctionnelle: PET, IRM f Modification du flux sanguin ou du métabolisme cérébral Confirmation de l activation du système limbique 3

4 Mémoire à Long Terme: Explicite Mémoire Explicite = déclarative = consciente Système limbique : Activation pendant l encodage Diencéphale médian Mémoire épisodique = Vécu du sujet = contextuelle Mémoire sémantique = mémoire des concepts = sens des mots, symboles SAVOIR QUE Système limbique Temporal médian Diencéphale médian Temporal médian + Amygdale + Cortex rhinal Cortex Mémoire à Long Terme Explicite Entrée de l information Visuel Auditif Tactile Cortex Consolidation-Répétition Stockage à long terme Lobe Temporal Médian + Diencéphale Médian Mémoire spatiale (Hippocampe), Composante émotionnelle (Amygdale) Cortex Préfrontal Traces mnésiques stockées dans la région néocorticale où l information a été traitée Autres structures cérébrales impliquées Approche expérimentale chez l homme: Chorée de Huntington: Modèle de lésions des ganglions de la base Atteinte sélective des apprentissages moteurs Pas d atteinte de reconnaissance visuelle ou verbale Approche expérimentale chez l animal (Singe): Modèle pour tester les habitudes: stimuli sensoriel - réponse motrice Si lésion des ganglions de la base: Difficultés de réponse avec reconnaissance de l objet Ganglions de la base: Permet un lien entre la perception d un stimulus et l élaboration de réponse motrice 4

5 Mémoire à Long Terme: Implicite SAVOIR COMMENT Mémoire Implicite = procédurale = inconsciente Habitudes et savoir faire Apprentissage simple Amorçage Bases physiologiques et moléculaires de la mémoire Ganglions de la base + Cervelet Noyaux gris centraux: pallidum, putamen, caudé Bases physiologiques de la mémoire Modèle expérimental chez le mollusque: Aplysie - Eric Kandel - Comportement réflexe stéréotypé de défense - Après plusieurs stimulations: Phénomène d Habituation - Si stimulation + choc électrique: Phénomène de Sensibilisation Existence d un processus mnésique + apprentissage = Modèle d étude de Mémoire Implicite Modèle expérimental chez le mammifère: Lapin ou rat Conditionnements instrumentaux dans un labyrinthe ou piscine Apprentissage d un repérage dans l espace = Modèle d étude de Mémoire Explicite Bases physiologiques de la mémoire 1949 Postulat de D. Hebb: Phénomène de plasticité synaptique = Siège des mécanismes cellulaires de mémoire et d apprentissage 1973: Bliss et Lomo: Synapse de l hippocampe chez le lapin Mécanisme de Potentialisation à long terme (PLT ou LTP) = Augmentation de l efficacité de la transmission synaptique après une activité neuronale locale intense. Mécanismes différents entre MCT et les MLT Modèle expérimental in vitro d étude de PLT de Mémoire Explicite au niveau de l hippocampe 5

6 Hippocampe : Anatomie Appartient au système limbique Modèle expérimental in vitro d étude de PLT Synapse glutamatergique CA3-CA1 Partie inférieure et interne du lobe temporal Collatérale de Schaffer Neurone pyramidale de CA1 + Gyrus Denté Fibres perforantes provenant du cortex + Corne d Ammon Neurone pyramidale de CA3 Modèle expérimental d étude de PLT sur tranche d hippocampe Synapse glutamatergique CA3-CA1 Potentialisation à long terme: 2 étape Présynaptique 1 étape Postsynaptique CA3 CA1 Stim. Enr. 6

7 Potentialisation à long terme: 3 étape Condition basale Elément pré-synaptique CA3 Glutamate Récepteur AMPA Na + Bouchon Mg 2+ Récepteur NMDA Na + Elément post-synaptique CA1 Condition basale Après forte stimulation Elément pré-synaptique Elément pré-synaptique Récepteur NMDA Glutamate Récepteur AMPA Na + Ca2+ Levée bloc Mg Bouchon Mg 2+ Na + 2+ Récepteur NMDA R AMPA R NMDA Ca 2+ Na + Na + PLT Ca2+ kinases phosphorylation génome Synthèse protéique potentialisation de l efficacité synaptique Elément post-synaptique Elément post-synaptique 7

8 Processus de plasticité fonctionnelle/morphologique Rôle dans croissance Changements structuraux des synapses Synthèse de protéines Libération de glutamate Nombre de récepteurs au glutamate Libération de Ca intracellulaire Sélection de réseaux neuronaux Rôle dans différenciation cellulaire Pré-synaptique Post-synaptique - Facilitation de la transmission le long des neurones - Efficacité des synapses augmentée + contacts synaptiques plus nombreux Mémoire: Phénomène Neurobiologique et Cognitif? PLT = réellement responsable de formes de mémoire? Approches expérimentales chez la souris: Délétion de gènes (KO) codant pour prot kinases Inhibition de la synthèse des protéines kinases Antagoniste des Récepteurs NMDA Pas de PLT Perturbe les processus mnésiques Autre phénomène de plasticité synaptique: DLT Dépression à long terme: Inverse de PLT Existe surtout dans cervelet, hippocampe Mécanismes: Décroissance de l amplitude des réponses des neurones après stimulation à basses fréquences Faible afflux Ca dans Neurones post-synaptiques Déphosphorylation Atteintes de la mémoire Rôle dans le stockage mnésique implicite? Permet l oubli physiologique? 8

9 Modulation de la mémoire Attention Motivation Sommeil lent ET paradoxal Humeur et anxiété Age: Altération modérée de la MCT et mémoire épisodique Médicaments: Effets négatifs: opiacés, anxiolytiques, antidépresseurs Effets positifs?: cholinergiques, amphétamine Différents types d amnésies Amnésie antérograde (Patient HM) Incapacité à mémoriser de nouveaux souvenirs après lésion Désorientation temporo-spatiale Amnésie rétrograde (Syndrome démentiel) Plus tardive Intéresse les souvenirs anciens acquis avant la lésion Gradient temporel Syndrome de Korsakoff Lésion des corps mamillaires : Effet de l alcool +++ Amnésie antérograde, Désorientation temporo-spatiale Fabulation, fausses reconnaissances Principales pathologies de la mémoire Ictus amnésique: Atteinte exclusive de mémoire épisodique Démence neurodégénérative corticale: Maladie d Alzheimer Atteinte initiale de hippocampe, cortex entorhinal Dépôts de substance amyloïde (plaques séniles) + Dégénérescences neurofibrillaires (inclusion cellulaire de protéine TAU) MCT altéré et MLT Explicite (surtout de type épisodique) Respect de Mémoire Implicite Pathologies des noyaux gris centraux: Chorée de Huntington Altération de la MLT de type Implicite MCT et MLT Explicite préservées Conclusion Grande spécificité des structures cérébrales impliquées dans la perception et stockage mnésique Différentes types de mémoire: à court terme et long terme Parallélisme entre: Mémoire-Fonction cognitive Mémoire-Phénomène neurobiologique Mécanisme impliquée: Potentialisation à long terme = Plasticité synaptique = Changement d activité et de croissance de certaines synapses = Base biologique de la mémoire Pathologies très diverses affectent la mémoire Mots clés: Mémoire, Explicite, Implicite, Synapse, Plasticité, Glutamate 9

10 Aires du langage dans le cerveau XIX siècle: Méthode anatomo-clinique Pathologie chez un patient Etude des lésions cérébrales à son décès Le Langage 1865: Broca: Troubles du langage chez 8 sujets avec lésion frontale gauche proche de région préfrontale motrice APHASIE: Perte partielle ou totale de l utilisation du langage sans altération des facultés cognitives ni perte de l aptitude à mobiliser les muscles pour l articulation DONC relation localisation anatomique et fonction cérébrale DONC toujours hémisphère gauche pour le langage = Hémisphère DOMINANT Région impliquée dans le langage: Aire de Broca Aires du langage dans le cerveau 1875: Wernicke: Troubles du langage chez des sujets avec lésion de la face supérieure du lobe temporal gauche (entre cortex auditif et gyrus angulaire) = Hémisphère DOMINANT Région impliquée dans le langage: Aire de Wernicke Asymétrie corticale: Partie du lobe temporal G (Planum temporale): plus volumineux Scissure sylvienne G: plus longue, moins profonde Existe déjà chez fœtus: donc préexistant avant l acquisition de la parole 10

11 Données actualisées Confirmation de ces observations anatomo-cliniques par des techniques invasives dès 1970 Injection d un barbiturique à action rapide et durée brève dans une carotide Du coté opposé à l injection: paralysie / anesthésie Si injection dans hémisphère dominant pour parole: Incapacité de répondre aux questions Si injection dans hémisphère non dominant pour parole: Réponse possible aux questions Données récentes confirmées par Pet-scan et IRMf 96% des droitiers et 70% des gauchers ont l hémisphère gauche dominant pour la parole Chez les gauchers: 15% ont l hémisphère droit dominant et 15% ont une dominance bilatérale Aphasie de Broca Aphasie motrice: Difficulté à parler Ne trouve pas le mot juste: Anomie Mot pour un autre: paraphasie Discours possible télégraphique de mots courants (pas d articles, de conjonctions ): JARGON Pas de grammaire: agrammatisme Bonne compréhension du langage simple écrit / parlé mais difficultés persistent (dessus-dessous ) Difficulté articulatoire: Localisation proche du cortex moteur Lésion des aires impliquées dans contrôle moteur du larynx, langue, lèvres. Aphasie de Wernicke Aphasie fluente Langage volubile, fluide mais incompréhensible Utilisation normale des mots mais les paroles n ont pas de sens Erreurs paraphasiques très fréquentes Compréhension très mauvaise Localisation proche du cortex auditif: rôle dans reconnaissance du mot entendu et de son sens MAIS flot incessant de parole par perte du contrôle de l aire de Wernicke Fonctionnement «Simple» du langage Son ou image parvient au cortex auditif ou visuel Informations codées en mots par l aire de Wernicke Transmission par le Faisceau arqué sur l aire de Broca Transmission au cortex moteur Contrôle moteur des muscles de la phonation Aphasie de Broca: compréhension préservée / émission mauvaise Aphasie de Wernicke: compréhension altérée / émission correcte 11

12 Hémisphère gauche Rôle du corps calleux Permet connexion entre les 2 hémisphères Si lésion (parfois pour traitement partiel dans épilepsies pharmaco-résistantes) Pas de troubles moteurs Si objet dans champ visuel D (hémisphère occipital G) Verbalisation de l objet : normale Si objet dans champ visuel G Pas de verbalisation DONC Synchronisation nécessaire Les Praxies Exemple d apraxie constructive Connaissance des objets en tant qu outils Grande variété de praxies et donc d apraxies = Trouble de l utilisation avec fonction motrice conservée Apraxie: Idéomotrice: Altération quand on demande de mimer l utilisation d un objet Idéatoire: Trouble de l utilisation courante des objets: mouvements répétés en prenant souvent son corps pour un outil Constructive: Copie défectueuse dans reconnaissance de l image Construction et dessin altérés Siège souvent dans l hémisphère opposé à la main dominante ou bilat Facteur déterminant de la latéralité manuelle 12

13 Les Gnosies Possibilité et capacité de reconnaître, de percevoir grâce à l utilisation de l un des sens (toucher, vue ) la forme d un objet. = permet le discernement d un fait Agnosie: Impossibilité de reconnaître des objets avec des fonctions sensorielles normales Asomatognosie: Perte de la conscience d une partie ou de la totalité du corps = lésion pariétale D Prosopagnosie : Impossibilité de reconnaître les visages familiers = lésion occipito-temporale D Agnosie tactiles ou astéréognosie: Déficit de l identification des objets par la palpation Système limbique Permet l appréhension des propriétés subjectives des stimuli: Différent des organes des sens : propriétés objectives Donne «l attribution d une valeur» Complexité ++++ Fonction de personnalité / expérience / état thymique et cognitif Fonction adaptative: comme réponse combat/fuite. Si lésion bilatérale de amygdale chez le singe: Pulsion «hypothalamique» libérée Perte des règles sociales (prise de nourriture des supérieurs; avance sur autres femelles) malgré des attaques répétées des autres macaques Si lésion du septum chez le rat: Comportement parfois agressif Comportement de combat pour des stimuli non menaçants Système limbique Systèmes frontaux Cortex préfrontal et relations avec cortex associatif / système limbique Composante de notre personnalité valeur morale Objectifs +++ Concevoir, choisir, exécuter des plans d action Intervient dans jugement, raisonnement, planification Beaucoup de comportement automatique (= sans trop de réflexions) Ajustement aux situations nouvelles 13

14 Systèmes frontaux Si Lésions +++ : Préfrontales dorso-latérales: Evaluation altérée de la situation spécifique externe Déficit des performances devant des tâches nouvelles Cortex orbito-frontal: Altération des réponses à des stimuli internes: peur, soif, faim, sexuel. Comportement social inadapté Exécution anormale si dépend de ambition - responsabilité 14