La mémoire à court terme et l’Hippocampe humain

Chaque étudiant de premier cycle en psychologie apprend que la mémoire à court terme, la capacité de garder temporairement à l’esprit des informations du passé immédiat (par exemple, un numéro de téléphone) implique différents processus psychologiques et substrats neuronaux de la mémoire à long terme (par exemple, se souvenir de ce qui s’est passé hier). Ce récit dichotomique de la mémoire repose sur des preuves de dissociations neuropsychologiques telles que celles montrées par des patients présentant des lésions du lobe temporal médial (LTM), qui jusqu’à présent, on pensait présenter une mémoire à long terme altérée mais une mémoire à court terme normale (Squire, 1992). Ces dernières années, cependant, ce point de vue a fait face à des défis considérables, compte tenu de l’accumulation de preuves suggérant que la mémoire à court terme et la mémoire à long terme, plutôt que d’être qualitativement distinctes, peuvent en fait partager des mécanismes neuronaux sous-jacents similaires (pour examen, voir Jonides et al., 2008).

Une observation récente clé est que les patients atteints de lésions du LTM fonctionnent mal non seulement sur les tâches de mémoire à long terme, mais également sur les tâches de mémoire à court terme qui impliquent la mémorisation de nouvelles informations à de brefs intervalles. Alors que le cortex périrhinal semble soutenir la mémoire à court terme pour de nouvelles informations sur les objets (Brown et Aggleton, 2001), des preuves neuropsychologiques suggèrent que l’hippocampe est essentiel lorsque des informations associatives sont impliquées (pour examen, voir Jonides et al., 2008), conformément à sa fonction proposée de liant relationnel dans la mémoire à long terme (Cohen et Eichenbaum, 1993). Par exemple, dans une étude récente, les patients atteints d’amnésie de l’hippocampe étaient incapables de se souvenir de l’emplacement de nouveaux objets, même avec un délai de quelques secondes (Jonides et al., 2008).

Nous savons donc par des preuves neuropsychologiques que l’hippocampe est essentiel à la mémoire à court terme pour l’information associative. Ce qui n’est pas clair d’après les données neuropsychologiques, cependant, c’est comment l’hippocampe prend en charge cette fonction. Hannula et Ranganath (2008) utilisent l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour résoudre ce problème important en caractérisant l’activité cérébrale pendant chaque phase d’une tâche de mémoire associative à court terme et en reliant cette activité neuronale à la performance comportementale. Alors qu’une approche ultérieure de la mémoire a été largement utilisée pour étudier la mémoire de reconnaissance à long terme, cela n’a pas été possible dans les expériences précédentes de mémoire à court terme en raison des performances proches du plafond généralement obtenues par les sujets. Pour contourner ce problème, les auteurs ont choisi une tâche relativement difficile pour s’assurer qu’un nombre suffisant d’essais corrects et incorrects seraient générés.

Le paradigme utilisé partage des similitudes avec une tâche connue pour être dépendante de l’hippocampe sur la base de données neuropsychologiques antérieures (Hartley et al., 2007). Au cours de la phase d’échantillonnage de chaque essai, les sujets ont visionné une nouvelle scène composée de quatre objets (sur un ensemble de neuf objets), chacun dans l’un des neuf emplacements possibles dans une grille 3 × 3. Pour encourager l’utilisation d’une stratégie allocentrique (ou centrée sur le monde) à médiation hippocampique, plutôt que d’une stratégie égocentrique (ou centrée sur le spectateur) censée s’appuyer sur des cortex pariétaux et préfrontaux, les sujets ont été invités à former une image mentale de la scène tournée de 90 ° à droite du point de vue original. Ils devaient ensuite maintenir la représentation tournée pendant la phase de retard de 11 s qui s’ensuivait en prévision du stimulus de test. Pendant la phase de test, la mémoire des sujets pour les positions des objets a été évaluée. Cela a été fait en leur demandant de classer, par pression sur un bouton, le stimulus de test selon qu’il constituait (1) une « correspondance » (c’est-à-dire que la scène d’origine tournait de 90 °); (2) une « position de non-concordance » (c’est-à-dire qu’un objet occupait un nouvel emplacement); (3) un « échange de non-concordance » (c’est-à-dire que deux objets avaient échangé des emplacements »). Les performances dans toutes les conditions étaient significativement supérieures à un niveau de chance de 33% de réponses correctes: 78, 65 et 60% sur les affichages de correspondance, de position de non-concordance et d’échange de non-concordance, respectivement.

Les auteurs ont d’abord effectué une analyse de la mémoire ultérieure en comparant des essais corrects avec des essais incorrects. Cela a révélé que l’activité de l’hippocampe pendant la phase d’échantillonnage prédisait des jugements de reconnaissance réussis dans la phase de test. Cette découverte exclut une explication autrement problématique selon laquelle une plus grande activité neuronale pendant la phase d’échantillonnage prédit le succès ultérieur non pas par le codage des informations associatives de localisation d’objet, mais plutôt par les objets (par exemple, tambours, bain d’oiseaux) eux-mêmes. En effet, une corrélation mémoire ultérieure a été observée dans le cortex périrhinal de manière sélective pendant la phase d’échantillonnage, conformément aux propositions selon lesquelles cette région neuronale est critique pour le codage d’informations spécifiques à un élément.

Fait intéressant, il n’y a pas eu de différences significatives dans l’activité de l’hippocampe en fonction de la précision pendant la période de retard. Bien qu’il soit conseillé de faire preuve de prudence dans l’interprétation d’une telle conclusion nulle, ce résultat suggère que le déclenchement neuronal persistant dans l’hippocampe ne se produit pas pendant la période de retard des tâches de mémoire à court terme, comme on le pense dans le cortex entorhinal. Une possibilité est que l’hippocampe supporte la mémoire à court terme pour l’information associative par des changements transitoires de l’efficacité synaptique, plutôt que par une maintenance active (Jonides et al., 2008). Alternativement, une maintenance active peut se produire, mais par un mécanisme différent non détectable par IRMf (par exemple, impliquant des oscillations thêta / gamma).

Ces résultats suggèrent que l’hippocampe joue un rôle important dans le codage et la récupération, mais peut-être pas le maintien actif, de nouvelles informations associatives en mémoire à court terme. Mais comment l’hippocampe calcule-t-il la nouveauté, ou inversement la familiarité, du stimulus de test de telle sorte qu’un jugement de reconnaissance correct puisse être rendu? Une proposition théorique influente est que l’hippocampe agit comme un comparateur (ou détecteur de concordance), identifiant les écarts entre les prédictions précédentes basées sur l’expérience passée et les entrées sensorielles actuelles (Norman et O’Reilly, 2003) (pour examen, voir Kumaran et Maguire, 2007). Une stratégie pour évaluer la validité de cette hypothèse consiste à caractériser la façon dont l’activité de l’hippocampe varie en fonction de la nouveauté ou de la familiarité du stimulus de test. Une étude récente utilisant cette approche (Kumaran et Maguire, 2006) a fourni des preuves empiriques compatibles avec les prédictions découlant d’un modèle de comparaison, l’activité de l’hippocampe étant observée spécifiquement dans des conditions de non-concordance et non en réponse à la simple présence de nouveauté en soi.

Hannula et Ranganath (2008) ont adopté une approche similaire pour sonder la nature des signaux de nouveauté / familiarité de l’hippocampe, en incluant trois types d’essais qui variaient en fonction de leur similitude avec le stimulus de l’échantillon. Les auteurs ont utilisé une analyse de la région d’intérêt pour démontrer que l’activation de l’hippocampe au cours d’essais corrects était la plus importante par rapport aux affichages de correspondance (par rapport aux affichages de position et d’échange de non-correspondance). Il est intéressant de noter que lorsque la nouveauté / familiarité des informations associatives est accessoire à la tâche à accomplir (c’est-à-dire que les sujets ne sont pas tenus de faire des jugements explicites sur la mémoire de reconnaissance), un modèle qualitativement différent des résultats a été observé avec une activation de l’hippocampe maximale dans des conditions de non-concordance plutôt que de correspondance (Kumaran et Maguire, 2006). Avant de passer à des explications « intéressantes » pour cette divergence, il convient de considérer l’influence des performances supérieures des sujets lors des affichages de correspondance (comparer les affichages de non-concordance) sur les données neuronales observées. Bien que les auteurs aient soigneusement examiné et écarté un tel effet, sans données d’évaluation de la confiance, il est difficile d’exclure complètement la possibilité que les sujets aient pu être plus confiants dans l’établissement de jugements (corrects), par opposition à l’inadéquation.

Cela dit, l’explication la plus probable des résultats observés est que l’amplitude des réponses de l’hippocampe à des entrées sensorielles nouvelles (ou familières) dépend de la tâche spécifique effectuée. En tant que tels, les résultats observés par Hannula et Ranganath (2008) ressemblent au phénomène bien connu d' »amélioration des correspondances » observé dans le cortex inférotemporal / périrhinal du singe en relation avec l’arrivée d’un stimulus cible anticipé qui correspond au stimulus actuel (Miller et Desimone, 1994). En revanche, lors de la détection automatique de la nouveauté dans l’environnement, une activité neuronale accrue dans l’hippocampe peut refléter la signature relativement « pure » d’un mécanisme de comparaison, exempt de modulation par des influences descendantes (Kumaran et Maguire, 2006). Une piste importante pour les travaux futurs consistera donc à explorer l’importance des interactions réciproques entre l’hippocampe et les cortex préfrontaux qui varient en fonction des exigences spécifiques de la tâche (p. ex., tâche de mémoire de reconnaissance explicite) et donc déterminer l’amplitude des signaux de nouveauté (ou de familiarité) de l’hippocampe observés.

Pour résumer, l’étude de Hannula et Ranganath (2008) complète bien les données neuropsychologiques existantes concernant l’importance de l’hippocampe pour la mémoire associative à court terme. De plus, les preuves fournies donnent de nouvelles informations sur la nature de la contribution de l’hippocampe à la mémoire à court terme, suggérant qu’elle participe principalement au codage et à la récupération, mais peut-être pas à la maintenance active de l’information associative. Une direction importante pour les recherches futures sera de développer et de tester empiriquement des modèles informatiques formels de mémoire de reconnaissance et de traitement automatique de la nouveauté à l’aide de l’IRMf. Idéalement, ces modèles devraient inclure des composants MTL ainsi que des interactions modulatrices spécifiques à la tâche avec des régions supérieures (par exemple, le cortex préfrontal). De cette façon, il peut être possible de comprendre précisément comment la nouveauté et la familiarité sont calculées dans le MTL et comment ces signaux sont utilisés par d’autres régions du cerveau pour effectuer des jugements de mémoire de reconnaissance réussis et détecter automatiquement la nouveauté dans notre environnement sensoriel.