Orientation et Cartes Cognitives

Orientation dans l'Espace

• La carte cognitive est un concept de psychologie expérimentale représentant mentalement l'espace.
• La carte cognitive est la représentation interne que le cerveau utilise pour percevoir, organiser et naviguer dans l'environnement.
• Le concept repose sur l'idée que le cerveau fonctionne comme un GPS, intégrant des repères sensoriels et l'expérience.
• Les cartes cognitives sont des constructions dynamiques influencées par la perception, l'apprentissage et l'expérience.
• Des pilotes ont découvert des structures datant du Néolithique dans les déserts de la péninsule Arabique, appelées "desert kites".
• "Desert kites" consistent en des murets de pierres convergeant vers un enclos qui agissait comme un piège pour les animaux.
• Une équipe a découvert en 2023 une représentation gravée sur roche d'un desert kite, prouvant la capacité de concevoir l'espace.
• La gravure est le premier artéfact humain découvert qui représente une carte mentale.

Expériences Historiques de Tolman (1948)

• Tolman a étudié la physiologie cognitive chez les rongeurs afin de montrer que le concept de carte mentale s'étend à d'autres espèces.
• Tolman a démontré que le concept de carte mentale peut faciliter l'exploration des mécanismes neurophysiologiques.
• Dans le dispositif initial, le rat entre dans un labyrinthe et atteint une récompense après une série de virages.
• L'objectif du premier dispositif est d'entrainer le rat à l'apprentissage du labyrinthe.
• Lors de la deuxième phase, le tunnel principal est bloqué, offrant au rat plusieurs trajectoires radiales possibles.
• L'hypothèse de Tolman prédit que si le rat a une carte mentale, il choisira le chemin le plus direct vers la récompense.
• Les résultats ont révélé que le rat prend la trajectoire radiaire qui lui semble la plus directe vers la récompense.
• L'expérience a appuyé le concept que les rats soient capables de représentation cognitive de leur espace.
• La carte mentale est dite allocentrique car elle ne dépend pas de la position de l'individu mais celle de l'espace par rapport à lui.

Région Cérébrale Impliquée : L'Hippocampe

• L'hippocampe est crucial pour la formation des souvenirs.
• Ces souvenirs comprennent la mémoire épisodique et la représentation spatiale.
• L'hippocampe est situé sur la face interne du lobe temporal et est une structure paire.
• L'IRM fonctionnelle suit les zones cérébrales activées lors d'une tâche cognitive en temps réel.
• Cette technique permet de suivre les zones cérébrales suractivées en fonction de la tâche cognitive.
• L'hippocampe a été mis en lumière comme un rôle parmi plusieurs autres région cérébrales.
• Les fonctions de l'hippocampe sont le cortex préfrontal et le cortex pariétal.
• L'IRMf cérébral a démontré que l'imagerie mentale peut être un outil de diagnostic.
• Une étude a montré que les chauffeurs de taxi ont une plus grande densité de matière grise dans les hippocampes que les sujets témoins.
• La maladie d'Alzheimer cause des problèmes avec l'orientation et la mémoire.
• Un parallélisme existe entre l'aggravation de la désorientation et la dégénérescence neurofibrillaires dans les cas d'Alzheimer.

Étude de la Physiologie du Neurone

• Le neurone est une cellule nerveuse spécialisée transmettant les signaux électriques et chimiques dans le système nerveux.
• L'axone permet la conduction du signal nerveux (influx nerveux).
• Les terminaisons axonales libèrent des neurotransmetteurs dans la fente synaptique.
• C'est ainsi que le neurone peut communiquer avec d'autres cellules.
• Les afférences synaptiques augmentent ou diminuent la probabilité d'un potentiel d'action.
• La somme des signaux détermine si un potentiel d'action est généré ou non.
• Un potentiel d'action est la transmission d'informations sous forme de signaux électriques.
• Un potentiel d'action ne se déclenche que si le seuil est atteint (loi du tout ou rien).
• Hodgkin et Huxley ont enregistré les premiers potentiels d'action dans un neurone géant de calamar.
• En l'absence de stimulations, le neurone est au potentiel de repos.
• Un stimulus cause une dépolarisation membranaire.
• Si la dépolarisation atteint un seuil, un potentiel d'action se déclenche.
• La dépolarisation de la membrane a lieu par la l'ouverture rapide des canaux sodiques.
• La repolarisation se met en place par la fermeture des canaux Na+ et ouverture des canaux K+.
• Une hyperpolarisation transitoire peut suivre avant le retour au potentiel de repos.
• On estime qu'il y a 80.10⁹ neurones dans un cerveau.
• En moyenne, chacun de ces neurones est connecté à 10 000 neurones.
• La technique du spike-sorting enregistre les potentiels d'action en extracellulaire.
• La technique permet de détecter et de compter les potentiels d'action des neurones.

Les Cellules de Lieux (ou Place Cells)

• L'étude du fonctionnement de la carte mentale neuronale dans l'hippocampe du rat a mené à la découverte de l'endroit où le rat se trouve.
• Une électrode est utilisée pour étudier l'activité d'un seul neurone dans l'hippocampe du rongeur.
• Le neurone n'envoie pas de PA aléatoirement.
• Statistiquement, le neurone envoie des PA surtout lorsque le rongeur est en bas à gauche de l'espace.
• Le champ récepteur (place field) du neurone correspond à la position dans l'espace où ce neurone décharge.
• Dans l'hippocampe, il existe les cellules de lieux (ou place cells en anglais).
• La carte de l'espace est codée grâce aux cellules de lieux.
• Il a été montré qu'il est possible de reconstruire l'activité des neurones de navigation.
• On observe qu'une place cell donnée va décharger dans une position donnée.
• La découverte principale est qu'il y a des place cells chez l'être humain.
• L' épilepsie est est un trouble neurologique caractérisé par des décharges électriques anormales et soudaines dans le cerveau.
• Pour certains cas complexes, des électrodes sont implantées afin d'enregistrer lors d'une crise et d'identifier les zones d'origine de ces crises.
• On insère une microélectrode dans l'hippocampe de patients atteints d'épilepsie.
• Les neurones démontrent qu'ils déchargent uniquement quand la position dans le jeu est en haut à gauche.

Phénomène de Replay

• En phase de sommeil profond (stade N3), l'hippocampe réactive les itinéraires parcourus la veille.
• Ce phénomène est appelé replay qui se produit également chez l'homme en accéléré.
• Les cartes mentales sont réactivées en phase de sommeil profond.
• Les répétitions contribuent à la consolidation mnésique.
• Les chercheurs se sont intéressés à la manière dont deux place cells déchargeaient.
• On a mesuré la capacité de deux neurones de reproduire la même trajectoire, on nomme ceci le cross corrélogramme.
• Chaque barre de couleur représente un PA issu d'un des deux neurones.
• Le cross-corrélogramme montre que les deux neurones déchargent en même temps.
• Le 2º neurone a tendance à décharger après le 1er neurone.
• Les deux neurones ont tendance à décharger après une phase de sommeil profond.

Double Fonction de l'Hippocampe

• L’exérèse bilatérale des hippocampes de HM a mené à la perte de sa capacité à former de nouveaux souvenirs.
• La découverte constituait une découverte majeure en neurosciences en démontrant le rôle de l'hippocampe dans la mémoire épisodique.
• Savoir où vous êtes et mémoriser ce que vous êtes en train de vivre est très lié.
• L'étude démontre aussi l'interrelation entre les zones cérébrales à fonctions cognitive et sensitive.
• Lorsque vous êtes en train de vous souvenir d'un épisode vécu, les PA des neurones impliqués augmentent.
• On reprend la même méthode que pour l'étude des patients épileptiques en mesurant des événements.
• John O'keefe a reçu un prix Nobel pour sa découverte des place cells.
• Le couple des Moser a été récompensé en 2014 pour la découverte de la physiologie cérébrale du codage de l'espace.
• Cicéron expliquait que pour bien se rappeler de quelque chose, il suffisait de retenir des lieux et les associer les informations à ces lieux.
• Il faut simuler mentalement une promenade pour réactiver cette carte spatiale et mieux retenir.
• Cela illustre les deux fonctions clés de l'hippocampe : la navigation spatiale et la création de souvenirs épisodiques.

Les Place Cells Sont-elles Suffisantes ?

• Le code des cellules de lieux est VERSATILE et INSTABLE d'un contexte et d'un épisode vécu à un autre.
• La même place cell se met à coder d'une nouvelle façon si l'espace environnant change.
• Quand vous entrez chez vous, une place cell code pour un endroit X.
• Quand vous sortez de chez vous, cette même place cell va coder pour un endroit Y.
• Les place cells ne correspondent pas à une métrique invariante de l'espace.

Les Cellules de Grilles (ou Grid Cells)

• Le couple des Moser a conçu de vastes labyrinthes pour explorer la navigation dans un espace plus étendu.
• Ils ont ensuite enregistré des neurones à la fois dans l'hippocampe et dans le cortex entorhinal chez le rat.
• Un neurone de lieu est enregistré, et on est ensuite capable d'attribuer une portion de l'espace spécifique à ce neurone.
• Dans le cortex entorhinal, l'enregistrement de l'activité d'un seul neurone révèle un schéma de réponse régulier.
• Ce neurone s'active lorsque l'animal atteint certaines positions précises dans l'espace: les sommets d'un motif en forme d'hexagone.
• Contrairement aux place cells de l'hippocampe, ces neurones s'activent aux sommets d'une grille régulière.
• Les modules de grid cells pavent tout l'espace, permettant une structuration cohérente de l'environnement.
• Les grid cells ne sont pas limitées à un espace particulier (pas versatiles).
• Il existe un gradient dorso-ventral de la taille de ces modules.
• On décrit les grid cells par trois paramètres : la phase, taille, orientation de la grille.
• Les cellules de grilles ne sont pas regroupées en grille mais elles conservent alors leur propriété fonctionnelle.

Topographies Corticales

• Afin d'étudier l'espace comme un tout, l'envoie un stimulus visuel est fait à un primate sans le bouger.
• les tranches anatomiques du cortex visuel sont ensuite analysées par autoradiographie qui montre l'activité des neurones.
• Dans le cortex occipital (cortex visuel primaire), les neurones codent l'espace visuel de manière rétinotopique.
• Il existe une relation géométrique entre l'espace et le codage de cet espace dans le cortex visuel.
• Le cortex auditif primaire code les sons selon un gradient de fréquence.
• La représentation de notre schéma corporel de différentes régions motrices ou sensitives est localisée dans le cortex moteur primaire et somesthésique primaire.

Représentation Corticale Abstraite de la Grille Infini des Grid Cells

• Si le neurone (de grille) s'active chaque fois que l'individu est au sommet d'un hexagone pour un espace infini, comment cet espace est représenté ?
• Si un individu ceut utiliser grid cells, il doit vivre dans chaque point des grid cells hexagonales, le neurone de grille décharge, ce losange peut être plié, ce qu'on peut plier sont donc une géométrie, c'est une géométrie torique.
• Une cellule de grille donnée représente une position fixe de l'espace qui peut être répétée à l'infini.

Place et Développement des Grid Cells

• Les grid cells montrent qu'il y a des preuves d'une navigation spatiale conservée dans l'évolution.
• On retrouve aussi les les grid cells chez les mammifères, elles leur permettent de naviguer dans l'espace.
• Les grid cells apparaissent très tôt dans le développement, soit avant toute expérience corporelle de l'espace.

Représentation Cognitive de l'Espace

• L'hippocampe code pour la navigation spatiale avec un système de place cells.
• L' cortex entorhinal code pour la navigation spatiale avec un système de grid cells.
• Les place cells offrent représentation contextualisée et versatile de l'espace.
• Les grid cells offrent une représentation invariante et ordinale de l'espace.
• La capacité à penser l'espace repose sur les interactions entre le codage invariant et le codage versatile.
• La caractérisation des place cells et des grid cells a permis d'identifier le fondement biologique de la représentation a priori de l'espace.