Bases cérébrales de l’orientation spatiale/ Brain basis of spatial orientation

Séminaire organisé par Sidney I. Wienev, Jeffrey Taube et Alain Berlioz du 12 au 17 septembre 2002.

Participants

Arleo Angelo (CNRS, Collège de France, Paris), Bassett Joshua (Dartmouth College, Hanover, USA), Bennequin Daniel (Université Paris VII, Paris), Berthoz Alain (CNRS, Collège de France, Paris), Bessière Pierre (INRIA, CNRS, lontbounot), Blair Hugh (UCLA, Los Angeles, California, USA), Brunel Nicolas (CNRS, Université Paris V, Paris), Colas Francis (Institut National Polytechnique de Grenoble, Grenoble), Dudchenko Paul Anthony (University Stirling, Royaume-Uni), Dumontheil Iroise (CNRS, Collège de France, Paris), Frohart Russel (Dartmouth College, Hanovre, USA), Glasauer Stefan (Ludwig-Maximilians University, linchen, Allemagne), Knierim James (University of Texas, Medical School, Houston, USA), Mizumori Sheri (University of Washington, Seattle, USA), J. Y. Muir Gary (Dartmouth College, Hanover, USA), Muller Robert (University Walk Clifton, Bristol, Royaume-Uni), Nadal Jean-Pierre (École Normale Supérieure, Paris), O’Keefe John (University College London, Royaume-Uni), Poucet Bruno (CNRS, Marseille), Ranck James (SUNY Health Science Center, Brooklyn, New York, USA), Rolls  Edmund  (Oxford University, Royaume-Uni), Sharp Patricia (Bowling Green State University, Bowling Green, Ohio, USA), Stackman Robert (Oregon Health Science University, Portland, USA), Taube Jeffrey (Dartmouth College, Hanover, USA), Touretzky David (Carnegie Melon University, Pittsburgh, USA),Wiener Sidney I. (CNRS, Collège de France, Paris), Zugaro Michaël (CNRS, Collège de France, Paris).

Compte rendu

D’intenses efforts de recherche ont, ces dernières années, approfondi les connaissances dans le domaine des bases neurales des fonctions cogni­tives. De telles connaissances peuvent aider chercheurs et médecins à développer des traitements adaptés aux malades souffrant de pathologies neurologiques et psychiatriques, mais aussi inspirer la conception de sys­tèmes artificiels de traitement de l’information. Les neurones dits « de direction de la tête » sont un modèle expérimental neurobiologique des processus cognitifs nécessaires pour l’orientation spatiale et pour la « navigation » (déplacement vers un but non visible, terrestre ou marin). Ces neurones, découverts par Ranck en 1984, sont activés sélectivement lorsque la tête de l’animal est orientée vers une direction, chaque cellule dans les structures impliquées ayant sa direction « préférée » distincte. Si le rat (singe, souris ou chinchilla) enregistré est plongé dans l’obscurité, la cellule garde son état d’activation, ce qui démontre qu’il ne s’agit pas d’une simple réponse sensorielle. Les réponses restent également intactes si l’animal se déplace hors de son environnement habituel. Elles tiennent donc compte des mouvements d’orientation de l’animal. Les différentes structures comprenant des cellules de direction constituent un réseau et des déficits d’orientation spatiale surviennent lorsque ces structures sont lésées. Ces neurones sont donc supposés être une base cérébrale de l’o­rientation spatiale.

Mais les neurones de direction restent largement méconnus en dehors d’un petit groupe de spécialistes. En effet, la première étude sur le sujet est parue en 1990, et actuellement on en compte plus de cinquante ! Afin de faire une synthèse et de consolider les connaissances dans ce domaine nouveau et intéressant, nous avons réuni les chercheurs du monde entier auteurs des principales publications sur ce sujet. Notre conférence a pu, pour la première fois, rassembler toutes les connaissances sur ce sujet afin d’établir un état des lieux, une perspective claire pour les recherches à venir, et élaborer une base pour la rédaction du premier livre sur les cel­lules de direction.

Dans la première présentation, le Docteur Patricia Sharp a abordé l’historique et le contexte scientifique du sujet. En effet, la découverte des cellules de lieu en 1971, et l’élaboration conséquente de la théorie de l’hippocampe comme carte cognitive de l’espace, ont démontré l’intérêt du système limbique pour les recherches sur les bases neurales des repré­sentations de l’espace. Les réponses dites « de lieu » des neurones de l’hip­pocampe correspondent aux décharges de potentiels d’action lorsque l’a­nimal (typiquement un rat) occupe une petite région dans son environnement. Ces réponses, remarquables, sont aussi mystérieuses, car deux cellules aux champs d’activité proches dans une enceinte cylindrique peuvent avoir des champs éloignés lorsque l’animal est placé dans une enceinte carrée. Cela soulève la question de savoir comment ce type de représentation peut être exploité d’une manière fiable par les autres struc­tures du cerveau qui reçoivent les signaux hippocampiques. Cette ambi­guité est amplifiée par de nombreuses observations qui montrent que les cellules hippocampiques peuvent également signaler des informations contextuelles sans aucune connotation spatiale. En revanche, les cellules de direction sont intégralement dédiées au codage de l’orientation de la tête dans le plan horizontal. Deux neurones sélectifs pour l’orientation de la tête présentant un kart entre leurs directions préférées, par exemple de 37 degrés, vont garder cet kart lorsque l’animal se déplace dans n’im­porte quel environnement.

Le Docteur Sharp a expliqué les variations des propriétés des cellules de direction de la tête observées dans les différentes structures cérébrales.

Elle a émis l’hypothèse que, pendant le mouvement, des signaux de rotation de la tête détectés par le système vestibulaire (détecteurs localisés dans l’oreille interne, sensibles aux accélérations angulaires et linéaires) sont traités par une structure appelée le noyau tegmental dorsal ou NTD (voir fig. 2). Le NTD transformerait les signaux d’accélération angulaire en signaux codant la vélocité et l’angle de rotation de la tête. Ce noyau participe également de la détermination du changement d’orientation de la tête, information transmise au système oculomoteur afin que celui-ci puisse stabiliser le regard. Il reste à comprendre précisément comment ces neurones transсérébraux transforment les signaux d’accélération et de vélocité en signaux d’orientation.

Cette question a été abordée dans la présentation du Docteur Stefan Glasauer, résumée ci-dessous.

Le Docteur Patricia Sharp a évoqué les variations de plusieurs pro­priétés des réponses directionnelles entre les différentes structures qui hébergent les cellules de direction en amont du noyau dorsolatéral du tegmentum (NTD) jusqu’à l’hippocampe (voir fig. 2). Ces structures sont bilatérales et symétriques dans le cerveau, mais on observe certaines différences entre les réponses de chacun des hémisphères. Les variations des réponses entre les différentes structures du cerveau, entre les côtés gauche et droit, peuvent éventuellement aider à mieux comprendre l’élaboration de la représentation neurale de l’orientation de la tête.

Dans cette problématique, une autre approche expérimentale consiste à léser une des structures de ce circuit, et à observer les changements pro­voqués dans les réponses au niveau d’autres aires, restées intactes. Le résumé de ces résultats a apporté des informations sur les relations dyna­miques au sein de ce réseau.

Le Docteur Hugh Blair, ancien collaborateur du Docteur Patricia Sharp, a ensuite présenté un résumé des bases théoriques de ces observa­tions. La mise à jour cohérente observée dans l’ensemble de neurones de direction dans l’ensemble du réseau a été reproduite à l’aide de modèles de réseaux de neurones formels. Tous ces modèles suivent les idées pro­posées en 1996 par Zhang, qui empruntait des mécanismes au modèle de Droulez et Berthoz publié dans les Proceedings of the National АсadenгΡу of Sciences (USA) en 1991. Ces modèles proposent une architecture neuro­nale dite « réseau attracteur »: les neurones présentant une direction pré­férée proche s’excitent mutuellement par excitation recurrent, alors que ceux dont les directions préférées sont éloignées s’inhibent mutuellement. La dynamique d’un tel réseau est caractérisée par des états attracteurs sta­bles et continus. À un instant donné, la répartition d’activité sur le réseau est caractérisée par un pic centré sur la direction courante de la tête de l’a­nimal. Cet état stable se déplace de façon continue à l’aide des entrées sen­sorielles concernant la direction de la tête (signaux visuels, proprioceptifs, vestibulaires, etc.). Le Docteur Blair a retracé l’historique du développe­ment des différents modèles basés sur ce thème, et leurs correspondances avec les données expérimentales anatomiques et physiologiques les plus récentes. Un des principaux points soulevés a été la relation entre les sys­tèmes de mise à jour des cellules de direction et d’orientation du regard, qui dépendent tous les deux des mêmes structures transcérébrales.

Joshua Bassett, actuellement étudiant de thèse du Professeur Jeffrey Taube, a présenté ses récents résultats sur les réponses des neurones trans­cérébraux (du NDT) qui alimentent les cellules de direction et le système oculomoteur. En effet, ces neurones montrent une variété des réponses à la vélocité de rotation de la tête dans les deux sens. Le fait que les lésions expérimentales de ces structures suppriment la plupart des réponses direc­tionnelles dans le thalamus est cohérent avec l’idée qu’il y a une intégra­tion successive en aval des canaux semi-circulaires vestibulaires vers les cellules de direction. Joshua Bassett a présenté en détail les connexions anatomiques entre le NDT et les structures voisines, dans le but d’aider à mieux comprendre comment les signaux de vélocité évoluent au sein de ces structures. Cette évolution demeure un sujet d’étude.

Une des propriétés des cellules de direction est l’anticipation : ces cel­lules commencent à décharger entre 20 et 100 msec avant que la tête de l’animal soit orientée dans la direction préférée, indépendamment de la direction ou de la vélocité de rotation. Au niveau du NDT, il existe aussi des cellules de direction dont la magnitude d’anticipation est grande. La valeur de cette dernière diminue au fil des structures en amont dans le réseau et s’annule au niveau du cortex rétrosplénial, qui alimente l’hippo­campe. Le cortex rétrosplénial a également été abordé au sujet de ses connexions anatomiques avec les champs visuels du cortex frontal (frontal еуе fields) . Des lésions du cortex rétrosplénial empêchent l’intégration de trajets (la capacité de tenir compte des changements de position en calculant le vecteur somme des déplacements et rotations). En effet, il peut parfois y avoir un conflit entre les repères visuels et les informations sur le mouvement propre de l’animal. On rencontre ce type de prote ème dans des labyrinthes où les allées sont très similaires, mais orientées dans des sens différents. Les différentes structures du circuit des cellules de direction sont plus influencées par l’un ou l’autre de ces deux types de repères. Les repères visuels dominent plutôt dans des environnements familiers grâce à des processus physiologiques toujours mal connus.

Le Professeur Jeffrey Taube a présenté ses résultats sur les effets de lésions de certaines structures dans le circuit de cellules de direction sur les réponses au niveau d’autres structures, ainsi que des travaux concer­nant les réponses directionnelles en trois dimensions. En résumé, des lésions de plusieurs structures thalamiques et corticales n’ont aucun effet sur les réponses directionnelles au niveau du thalamus antérodorsal. Ceci contraste avec ses résultats montrant des effets catastrophiques des lésions vestibulaires sur ces réponses. Les lésions de la principale aire du cortex contenant des cellules de direction, le postsubiculum, engendrent des changements importants au niveau des réponses des cellules de lieu hip­pocampiques.

Un autre axe de travail de l’équipe du Professeur Taube est le rôle des informations gravitaires sur les cellules de direction. Dans une série d’ex­périmentations élégantes, des rats ont été entraînés à grimper une échelle pour monter sur la partie haute du mur cylindrique qui formait le bord de l’enceinte expérimentale. Les taux de décharge maximale des neurones changent lorsque le rat se trouve au-dessus du niveau du sol, mais les réponses directionnelles ne sont pas modifiées. Dans une deuxième expé­rience, deux échelles sont placées dans des positions diamétralement opposées sur la paroi cylindrique. Une troisième échelle horizontale tra­verse la partie haute du cylindre raccordant les deux échelles. Les rats ont été entraînés à emprunter l’échelle horizontale avec la tête en bas puis à redescendre la deuxième échelle. Si l’animal approche l’échelle ascendante avec la tête orientée dans la direction préférée de la cellule, celle-ci conti­nue à décharger lorsque l’aulmal monte, le nez pointé vers le haut. Mais la cellule stoppe sa décharge quand l’animal traverse l’échelle horizontale — à ce moment, la tête est dans la direction opposée à la direction préfé­rée. Pour la descente de l’échelle placée de l’autre côté, la cellule recom­mence à décharger. Ces résultats montrent que les cellules de direction ne sont sélectives pour l’orientation de la tête que dans le plan horizontal, et que les déviations de tangage sont tolérées jusqu’à 90 degrés vers le haut ou le bas.

Ces expérimentations ont été complétées par des manipulations en vol parabolique. Cela donne, en alternance, des périodes d’hypogravité et de gravité double par cycles de 29 secondes. Les analyses de ces données sont toujours en cours, mais il est déjà évident que les neurones de direc­tion continuent de décharger en l’absence de gravité ou de repères verti­caux clairs.

Ancien étudiant du Professeur Taube, le Professeur Robert Stackman a mené plusieurs investigations sur l’importance du système vestibulaire pour les cellules de direction. Des neurotoxines spécifiques appliquées à l’oreille interne assurent une destruction des récepteurs vestibulaires (et auditifs). Ceci provoque une interruption définitive des réponses direc­tionnelles. Dans une autre expérience, l’inactivation temporaire des récep­teurs vestibulaires provoquait une dégradation des réponses spatiales des cellules hippocampiques. Au moment de la récupération des réflexes pos­turaux, les cellules de lieu recommencent à répondre normalement. Il reste à montrer si les animaux souffrant d’atteintes vestibulaires sont dés­orientés à cause d’un manque de stabilité de regard ou si les réponses anormales des neurones de direction et de lieu sont liées aux mécanismes de mise à jour vestibulaire.

Le Docteur Michaël Zugaro a présenté les résultats de ses études effec­tuées avec le Professeur Alain Berthoz et le Docteur Sidney Wiener au Collège de France sur la résolution des conflits intersensoriels au niveau des cellules de direction thalamiques. Dans le cas d’un conflit entre des informations visuelles et des informations idiothétiques (liées aux mouvements propres du corps), la vision est dominante. Afin de mieux com­prendre quels types de repères visuels sont les plus efficaces, ces auteurs ont testé si des objets en trois-dimensions (et non des cartes contrastées) peuvent servir d’ancrage pour les cellules de direction. Ces objets contrô­laient des cellules de direction (c’est-à-dire que la rotation des objets entraînait une rotation des directions préférées), mais ce contrôle ne se fait strictement que si les objets sont placés dans l’arrière-plan de l’envi­ronnement. Si les objets sont loin du fond, leur rotation n’a aucun effet sur les cellules de direction.

Plusieurs présentations abordaient la question de la relation entre les réponses neurales directionnelles et les comportements d’orientation spa­tiale. Ces neurones servent-ils de boussole au reste du cerveau, ou s’agit-il seulement d’un type de représentation parmi plusieurs ? Le Professeur Paul Dudchenko a entraîné des rats à effectuer des tâches spatiales diver­ses afin de mieux comprendre les relations entre les réponses physiolo­giques et le comportement. Dans un labyrinthe en forme de croix, les erreurs de choix du bras par le rat correspondaient aux décalages de direc­tions préférentielles des neurones. Mais dans le cas où des récompenses alimentaires sont toujours posées dans un coin sur le sol de l’enceinte cubique, et si les murs sont rallongés pour donner à l’enceinte une forme rectangulaire, les cellules de direction révèlent des décalages de direction préférée malgré les pertes de performance dans la tâche. Cette contradic­tion apparente peut être expliquée par le fait que ce comportement d’o­rientation ne dépend pas des cellules de direction mais plutôt d’autres représentations cérébrales. D’autres expériences du Professeur Dudchenko sur l’alternance dans des labyrinthes en T montrent des dis­cordances similaires, mais ces derniers résultats sont moins convaincants à cause d’un mauvais niveau de performance des rats dans ces tâches. En résumé, les résultats ont bien montré que, dans des situations familières, les repères visuels prédominent pour le choix de la direction préférée, mais que, dans des situations nouvelles, les informations idiоthétiques (concernant les mouvements propres du corps, utilisées pour l’intégration de trajets) sont plus importantes. En résumé, l’idée que les cellules de direction sont engagées pour certains types d’orientations spatiales est soutenue par les observations de cohérences entre les changements de directions préférées et les choix dans les labyrinthes.

En revanche, les conflits observés, lorsque les cellules montrent un décalage alors que l’animal continue à s’orienter dans le même sens (ou l’inverse), peuvent être expliqués par l’utilisation d’autres systèmes de repérage internes pour ces types d’orientation. Il serait intéressant de trouver des catégories de comportements cohérentes ou non avec les réponses des cellules de direction. L’équipe du LPPA a déjà élaboré un système de catégories des différents types d’orientation spatiale, basées sur l’utilisation de repères internes ou de repères externes de type simple ou configurationnel (Trullier et coll., Prog. Neurobiol. 51 : 483-544, 1997). Ces types de comportements dépendent de différentes parties du cerveau.

Le Professeur James Knierim a confirmé cette dernière observation grâce à des enregistrements simultanés de cellules de direction et de lieu. Dans ses expériences, les deux types de neurones ont répondu de manière cohérente, ce qui s’exprime par le fait que le décalage des angles est com­parable à la suite des manipulations expérimentales. Le Professeur Knierim a désorienté ses rats (par des rotations rapides dans l’obscurité) afm de caractériser les conditions pour lesquelles les réponses des deux types de cellules changent. Quand les directions préférées des cellules de direction dérivent, les cellules de lieu changent leurs réponses (remаpping) ou dérivent de la même manière et du même angle. Dans une autre manipulation, les repères visuels sur le mur de l’enceinte cylindrique (où se trouve le rat) ont été décalés d’un angle grand ou d’un angle faible, à des vitesses lentes ou rapides. Les plus grandes rotations exposent les rats à un conflit intersensoriel important — les repères visuels indiquent qu’ils tournent, alors que les informations idiothétiques ne donnent aucune information de mouvement propre de l’animal. Ces rotations ont davan­tage tendance à provoquer des changements de réponses directionnelles que de petites rotations de repères. Enfin, d’autres expériences ont été présentées concernant les réponses aux changements de séparation de deux cartes sur le mur d’une enceinte cylindrique.

James Knierim et Paul Dudchenko ont indépendamment évoqué l’im­portance pour les réponses directionnelles ou positionnelles de la forme (ou de l’arrangement topographique, parfois dit « géométrie ») de l’espace (ou bien de la plate-forme) où l’animal est contraint de se dépla­cer. Dans certains cas, les repères de la pièce expérimentale peuvent être pris en compte — ou ignorés — si le dispositif expérimental est déplacé à un autre endroit dans la pièce. Il reste à déterminer les éléments critiques de ces divers résultats, aussi bien que les voies anatomiques responsables de la détection et du traitement de ces informations.

Étant dоnné le couplage étroit entre les cellules de direction et les cel­lules de lieu hippocampiques exposé par le Professeur Knierim, plusieurs présentations ont exploré la manière dont les cellules de lieu pouvaient fournir un signal pertinent pour les comportements spatiaux. Bruno Poucet, du CNRS à Marseille, a noté trois tendances générales issues de ses propres expériences et de celles de la littérature :

  1. — les repères distants exercent plus d’influence que les repères proches sur les réponses spatiales des cellules de lieu ;
  2. — en cas de conflit entre les informations en provenance de repères visuels et les informations idiothétiques, les premières dominent si le conflit est de faible amplitude, tandis que les secondes dominent si le conflit est de magnitude plus importante ;
  3. — la géométrie de l’espace où l’animal se déplace, dit « espace d’action », constitue un repère essentiel.

Bruno Poucet a ensuite décrit plusieurs expériences de son équipe ayant trait aux relations entre le comportement et les réponses de lieu hip­pocampiques. Au cours d’une tâche dans un labyrinthe en forme de Y, où les animaux devaient visiter deux des voies du labyrinthe en alternance afin de recevoir une récompense dans la troisième voie, le comportement de l’animal devenait désorganisé lorsque les champs d’activité étaient instables, résultat semblable à celui rapporté dans les résultats sur les cel­lules de direction cités ci-dessus. Dans une autre série d’expériences, les animaux devaient avoir un même comportement de localisation d’un but en utilisant trois stratégies différentes. Dans tous les cas, l’animal devait se diriger vers un lieu de l’enceinte cylindrique, et y rester plusieurs secon­des, afin de déclencher la distribution d’une parcelle de nourriture qui avait une localisation aléatoire dans l’enceinte. Dans la première condi­tion, le but était situé à une position fixe par rapport à un repère spatial sur le mur de l’enceinte, tout en en étant relativement éloigné. Pour le situer, l’animal devait utiliser des repères configurationnels et engager des calculs sophistiqués comme la triangulation. Dans la deuxième condition, le but était proche de la carte, et dans la troisième condition, la position de la carte du repère spatial était sans importance car le but était marqué en noir sur le sol. Le repère spatial pouvait être déplacé sur la paroi entre les essais, soit en présence de l’animal, soit en son absence. Les résultats pour chaque condition étaient contrastés. De façon remarquable, la rota­tion du repère avait un effet plus fréquent sur les réponses de lieu dans les tâches « éloigné » et « proche » (où il devait nécessairement être utilisé pour localiser le but) que dans la condition où le but était directement indiqué par une marque sur le sol. Il est aussi intéressant de noter que les rotations du repère en présence de l’animal avaient moins d’effets lorsque l’animal devenait plus expérimenté, indiquant que le conflit sensoriel entre les informations visuelles et idiothétiques était résolu par l’animal en se fiant à ces dernières, qui lui indiquaient qu’il n’avait pas bougé. Enfin, le comportement était considérablement altéré lorsque l’activité des cel­lules de lieu donnait une information erronée sur la position de l’animal par rapport au repère visuel, et ceci seulement dans la tâche éloignée. Ce résultat indique que, dans cette tâche, le signal émanant des cellules de lieu est probablement utilisé pour la navigation spatiale.

Le Professeur John O’Keefe, découvreur des cellules de lieu hippo­campiques, a soulevé la question des relations entre les décharges spatiales des neurones et l’activité globale de l’ensemble de neurones, enregis­trée dans la forme de l’électroencéphalogramme (EEG). Les cellules de lieu déchargent en phase avec l’activité rythmique de l’EEG oscillant à 8 hertz, appelée « rythme thêta ». John O’Keefe et Recce ont découvert que cette synchronisation est sujette à un décalage progressif lorsque l’animal se déplace dans le champ d’activité ; ce décalage est appelé « précession de phases ». Le Professeur O’Keefe a exposé ici des analyses des relations de la vélocité du mouvement de l’animal, et d’autre analyses spatiales et tem­porelles de cet effet.

La présentation finale de cette séance concernant les cellules de lieu était celle du Professeur Robert Muller, ancien directeur du Professeur Jeffrey Taube. Cette fois-ci, l’enceinte cylindrique (dispositif classique qu’il a inventé et qui fut emprunté pour de nombreuses études) a été équipée d’une barrière transparente et amovible allant du centre de l’en­ceinte vers un des murs. Il a ainsi découvert que la rotation ou le dépla­cement de la barrière n’avait aucun effet sur les cellules ayant des champs d’activité distants de la barrière, mais provoquait des changements ou la disparition des champs plus proches. En effet, les divers neurones sont sensibles à différents repères, et l’hippocampe ne génère pas une repré­sentation uniforme et cohérente de l’espace, mais est plutôt divisible en plusieurs composantes quasi indépendantes. Cette observation contraste avec les réponses des cellules de direction, qui gardent toujours les mêmes relations entre elles.

Par la suite, nous avons abordé le sujet des structures qui reçoivent des signaux du système hippocampique, et plus particulièrement des cellules de direction au niveau du noyau сaudé (élément des ganglions de base qui reçoit des projections du système hippocampique par relais du cortex entorhinal) avec la présentation du Professeur Mizumori. En contraste avec les neurones directionnels dans d’autres structures (y compris des cellules directionnelles au niveau de l’hippocampe, découvertes par le Professeur Mizumori), les neurones avec des réponses directionnelles et positionnelles au niveau du noyau саudé sont extrêmement sensibles aux changements des conditions d’éclairement. Le Professeur Mizumori interprète ces divers résultats en soulignant que le noyau саudé appartient à un système de référence pour les réponses comportementales. Une autre observation, présentée ici pour la première fois, concerne la présence de cellules de direction dans une autre structure cérébrale, cette fois-ci située dans le cortex frontal. Cette région est intéressante, car elle reçoit une convergence d’afférentes des cortex rétrosplénial (déjà décrit comme siège des cellules de direction) et pariétal (impliqué dans l’orientation par rapport aux référentiels égoсentrés) et envoie des projections vers le cor­tex moteur, vraisemblablement pour gérer les mouvements d’orientation. Le Professeur Mizumori a conclu son propos par des réflexions globales, suggérant que les cellules de direction ne sont pas elles-mêmes responsa­bles du sens de l’orientation, mais qu’elles servent plutôt de guide interne pour les mouvements et comportements dirigés dans l’espace. Enfin, l’omniprésence des cellules de direction dans de nombreuses structures du cerveau laisse à penser que cette activité peut servir comme un lien d’as­sociation (binding) entre différents ensembles de neurones à la base de certaines fonctions intégratives du cerveau.

Le Docteur Sidney Wiener a résumé des études montrant une baisse importante de l’activité des cellules de direction lorsque le corps du rat est fortement contraint, par exemple entouré et retenu dans une petite ser­viette. Afin de tester le rôle de mouvements actifs sur l’activité des cellu­les de direction, son équipe a entraîné des rats à rester immobiles (mais non restreints) en buvant des gouttelettes d’eau sortant à intervalles régu­liers d’un réservoir. Les expériences ont été effectuées sur une plate-forme montée sur un pivot, permettant d’enregistrer les neurones lors de rota­tions passives de l’animal. (Les rotations oscillatoires permettaient d’é­chantillonner l’activité du neurone pour construire une courbe de réponse.) Les cellules de direction continuent de décharger sélectivement pendant les mouvements passifs, mais avec un taux maximal de 30 % inférieur à celui enregistré lorsque l’animal se déplace activement. Cela démontre l’importance des mouvements actifs lors de la formation des réponses directionnelles. Pourtant, les rotations à grandes vitesses indui­sent un taux d’activité plus important que les rotations à basses vitesses. Ceci montre que les informations sensorielles liées aux mouvements (flux optique, vestibulaire) jouent également un rôle important dans la modu­lation de ce signal. Après cette partie de la présentation sur l’élaboration du signal de direction, une deuxième partie traitait des mécanismes d’exploitation de ces signaux pour l’orientation spatiale. Des enregistrements dans des structures recevant des entrées hippocampiques, le noyau саudé et le noyau accumbens, montrent des réponses neurales corrélées avec les différents mouvements entre les principaux sites d’un labyrinthe en croix. Cela montre que les informations concernant l’orientation de la tête et la position du corps convergent sur des structures qui indiquent les dépla­cements à effectuer.

Le Professeur James Ranck Jr., découvreur des cellules de direction, a présenté un résumé de son oeuvre, commencée il y a plusieurs années. Il s’intéresse à la formulation mathématique, en termes de géométrie et de topologie, des descriptions des relations entre les neurones et l’environ­nement dans lequel ils vivent. Il a notamment donné des exemples de cer­tains types de cartes de correspondances.

Le Docteur Gary Muir, collaborateur actuel du Professeur Jeffrey Taube, fonde ses travaux sur les hypothèses suivantes : que les neurones de direction représentent la direction de la tête perçue par l’animal et que cette activité doit être engagée pour la navigation. Mais i1 faut attendre une relation entre activité cellulaire et comportement seulement dans les cas où des calculs de la position propre de l’individu par rapport à la configuration de l’environnement sont requis (et non pour d’autres for­mes d’orientation qui demandent des traitements d’information plus sim­ples). Le Docteur Muir nous a présenté une revue de la littérature évo­quant les dissociations entre les orientations choisies pour le comportement et les réponses de cellules de direction. Ses propres études, chez le rat, de l’orientation vers un coin d’une enceinte cubique ou rec­tangulaire confirment cette dissociation. On en arrive encore une fois à la conclusion que le cerveau peut avoir une bonne carte, mais qu’elle n’est pas consultée dans tous les cas. Par exemple, on ne se sert pas d’une carte pour naviguer chez soi.

En réponse à ce problème, le Docteur Russel Frohardt, lui aussi actuel collaborateur du Professeur Taube, a mis en place d’élégants dispositifs expérimentaux afin d’exiger un traitement d’information spatiale plutôt sophistiqué, et en particulier l’intégration de trajets. Dans une expérience, les rats devaient trouver une grande boule de nourriture sur une vaste plate-forme ouverte, puis la ramener à leur nid, accessible le long du bord. Si cette tâche a de bons fondements théoriques, en pratique elle a échoué, car les rats n’empruntent pas les parcours les plus directs, et sui­vent les bords de l’enceinte lors des trajets de retour. Le Docteur Frohardt a ensuite développé un dispositif où les animaux traversent une série d’al­lées de différentes longueurs, placées orthogonalement les unes après les autres. Dès que le rat est arrivé au but, il doit emprunter un trajet direct pour revenir au point de départ. Le Docteur Frohardt a présenté plu­sieurs manipulations expérimentales de ces tâches. Par exemple, les yeux de l’animal peuvent être bandés afin de forcer une intégration de trajets — ceci demande jusqu’à huit semaines d’entraînement. Il a également effec­tué des lésions ou des injections d’antagonistes du NMDA dans les aires qui contiennent de cellules de direction, afin d’obtenir d’éventuelles bais­ses de performances. Les performances des animaux aux yeux bandés étaient particulièrement sensibles aux lésions. Ces chercheurs continuent d’enregistrer les cellules de direction chez des rats effectuant ces tâches.

Le Professeur Edmund Rolls a exposé plusieurs résultats pertinents au sujet du codage directionnel lors de ses enregistrements chez le singe. Son équipe a enregistré des cellules de direction au niveau du présubiculum (4 cas) et du gyrus parahippocampique (1 cas). Il a développé un modèle qui permet la reconstruction de l’orientation de la tête de l’animal à par­tir du taux de décharge courant de chacun des neurones directionnels dans le réseau. Il n’est pas nécessaire de programmer les directions préfé­rées des neurones. En effet, cette information peut êtrе reconstruite à par­tir des profils d’activité de neurones individuels enregistrés simultané­ment. Le Professeur Rolls a poursuivi en présentant son modèle de fonction hippocampique qui reçoit, entre autres, des signaux d’entrée directionnels. Ce modèle est capable d’intégration de trajets, mais est éga­lement capable d’effectuer d’autres fonctions, comme, par exemple, une tâche de discrimination d’objets et de lieux.

Cette présentation sur le singe a été suivie de la conférence du Professeur Alain Berthoz (CNRS, Collège de France, LPPA) sur les référentiels spatiaux chez l’homme. Il a décrit les différentes stratégies de localisation spatiale, ainsi que les aires du cerveau spécialisées dans ces fonctions respectives, comme l’ont démontré des études d’imagerie fonc­tionnelle (PET, IR’). Il a distingué trois systèmes de réseaux fonda­mentaux : le système directionnel, le système cortical vestibulaire pour les rotations (comprenant au moins six aires distinctes du cortex cérébral), et le système de traitement d’informations liées aux lieux. Il a décrit un grand nombre d’expériences de son équipe, étudiant d’abord l’importance de la stabilisation de la tête, les mouvements de rotation de la tête antici­pant des virages au cours de la marche, les difficultés d’orientation chez les patients vestibulaires, les lois déterminant la dynamique de trajectoi­res, et les résultats d’études de conflits entre sensations vestibulaires et visuelles (ces dernières induites grâce à des casques de réalité virtuelle).

Le Docteur Stefan Glasauer (clinique Grosshadern, Munich), est un spécialiste de l’utilisation d’informations vestibulaires et idiothétiques par le système oculomoteur chez l’homme sain ainsi que chez les patients neurologiques. Il a souligné la complexité des rotations en trois dimen­sions, en particulier la non-commutativité des rotations successives de l’oeil le long de l’axe vertical et de l’axe horizontal. Dans une deuxième partie de sa conférence, il a repris en détail les processus de traitement des signaux vestibulaires d’accélération dans le transcérébral pour arriver à des signaux d’orientation angulaire. Il a évoqué l’importance du cervelet pour calibrer cette intégration, ce qui a été complètement ignoré par les chercheurs travaillant dans le domaine des cellules de direction jusqu’à ce jour. Enfin, le Docteur Glasauer a présenté les résultats de ses expérien­ces (en collaboration avec l’équipe du Professeur Berthoz) sur des patients souffrant de pathologies du thalamus et du cortex parahippo­campique. Ces patients étaient exposés à un parcours triangulaire à sui­vre, puis ils l’ont reproduit en marchant les yeux bandés, ou assis sur un robot mobile qu’ils pilotaient au moyen d’un levier. Les analyses mont­rent qu’ils réussissent à reproduire le profil de vélocité, l’amplitude, la vélocité maximale et la durée des mouvements, mais qu’ils commettent des erreurs dans l’estimation des angles de rotation, preuve possible d’une atteinte du système directionnel.

La session suivante concernait des approches théoriques pour la com­préhension de l’orientation spatiale. Après une petite démonstration de certaines erreurs souvent commises dans l’interprétation du codage par des populations de neurones, Jean-Pierre Nadal (École Normale Supérieure, Paris) a présenté une approche théorique (en collaboration avec D. Philipona et K. O’Regan) permettant à un réseau de neurones gérant un robot de déterminer la nature géométrique de l’espace. Le réseau reçoit des informations des récepteurs sensoriels proprioceptifs (codant l’activité musculaire) ainsi que des informations extéroceptives (par exemple visuelles), ces dernières pouvant aussi concerner les mouve­ments propres du corps. Avec cette information, le réseau peut également cataloguer tous les mouvements naturels permis. Cela est rendu possible par la mise en évidence par le robot de l’existence d’un ensemble de mou­vements « compensables » (le robot apprend comment effectuer des mou­vements compensant des modifications des perceptions dues à des modi­fications de l’environnement au cours de temps). Ces mouvements ont une structure de groupe qu’on peut identifier avec celle des mouvements rigides (translations, rotations), et c’est ce groupe qui définit la structure géométrique de l’espace. Une simulation démontre en particulier la pos­sibilité pour le robot de calculer le nombre de dimensions de l’espace, plus exactement celui de ce groupe de transformations rigides. Dans cette approche, on montre que la perception de l’espace et la cognition en général requièrent une émulation interne volontaire permettant la com­préhension de propriétés physiques de l’environnement que l’on retrouve dans les lois sensori-motrices.

Le Docteur Nicolas Brunel (CNRS, Paris) a présenté une étude de modélisation des propriétés directionnelles des cellules de lieu hippocam­piques. Il a cité l’étude expérimentale de Markus et de ses collègues qui montre des réponses directionnelles plus fréquentes chez les cellules de lieu lorsque l’animal effectue des parcours restreints entre des points fixes de l’environnement que lors de mouvements libres dans un champ ouvert. Après un résumé de la littérature existante sur le sujet, le Docteur Brunel a présenté un modèle de l’aire СА3 qui inclut une dynamique d’apprentissage Hebbien sur les synapses récurrentes de l’aire САЗ. Le modèle permet d’expliquer les résultats de Markus, en particulier la manière dont la fraction de cellules de lieu directionnelles varie en fonc­tion du type de trajectoire de l’animal.

Le Professeur David Touretzky a étudié des modèles des cellules de direction de la tête basés sur des réseaux attracteurs. Plus particulière­ment, il s’est focalisé sur la déformation dynamique d’un état attracteur en fonction de la vitesse angulaire de la tête de l’animal. Il a déploré des problèmes pour les modélisateurs de certains résultats expérimentaux concernant la dépendance complexe des réponses sur la vélocité du mou­vement et des rotations. Il a introduit un modèle contenant des attrac­teurs au niveau du noyau mamillaire et du postsubiculum et a ajouté des paramètres scalaires à certains niveaux afin d’obtenir les valeurs d’antici­pation observées en laboratoire. Avec un modèle de l’hippocampe en tant qu’attracteur bidimensionnel, il a ensuite abordé la prote ématique des conflits sensoriels et la façon dont ceux-ci peuvent provoquer des chan­gements drastiques dans les réponses des cellules de direction de la tête. Dans le modèle, ces changements peuvent être prédits à cause d’une dés­tabilisation de l’état attracteur. Il a ensuite discuté des différents types d’information, d’orientation et de distance qui peuvent être discernés à partir des repères typiquement utilisés dans les expériences (par exemple, une carte contrastée). Dans le cas où i1 y a deux cartes repères, leurs dépla­cements indépendants peuvent provoquer ou non un changement impor­tant des réponses spatiales, selon que le système dépend des repères visuels ou plutôt de l’intégration du trajet. Ces changements éventuels peuvent être graduels ou soudains. Le Professeur Touretzky a conclu par l’élaboration des règles gouvernant le type de changement et les prédic­tions expérimentales de cette œuvre théorique.

Le Docteur Angelo Arleo (CNRS, Paris) a décrit son modèle qui per­met à un robot mobile de s’orienter dans l’espace. Le modèle est basé sur deux systèmes neuronaux exploitant les informations allothétiques (vision) et idiothétiques (odométrie) acquises par le robot lorsqu’il explore un environnement inconnu. Ces deux types d’informations sont utilisés par le robot pour se construire une représentation de sa position (basée sur des cellules de lieu) et de son orientation (basée sur des cellu­les de direction de la tête) dans l’environnement. Un mécanisme d’ap­prentissage Hebbien est mis en œuvre pour assurer que ces deux catégo­ries d’informations se complètent et se renforcent mutuellement. De plus, le robot apprend par essais et erreurs à utiliser la représentation acquise pour naviguer vers un but. Ce modèle a été testé et validé sur un robot Khepera équipé d’une caméra, dans un environnement restreint (80 cm x 80 cm) et sous conditions d’éclairage standardisées. Il bénéficiait d’un système d’analyse d’images par filtrage de Gabor, chaque filtre jouant le rôle d’une population de cellules simples dans l’aire visuelle primaire. Chaque lieu reconnu par le robot était ainsi caractérisé par la projection de l’image panoramique recueillie en ce lieu dans l’espace d’activation des filtres.

Le Professeur Pierre Bеssière a poursuivi la discussion sur la robotique en présentant des robots mobiles qui apprennent à naviguer dans des environnements complexes. Un des intérêts de ces modèles est l’absence de cartes explicites. Ces modèles ont des éléments bayesiens, c’est-à-dire que des probabilités sont utilisées pour décrire des relations entre les dif­férents évènements.

Francis Colas, étudiant du Professeur Bessière, a parlé d’une modéli­sation bayesienne des cellules de direction de la tête. Il a fait une petite revue des modèles de réseaux de neurones existants. Son approche baye-sienne permet de surmonter certaines difficultés des autres modèles tout en permettant de simuler des lésions. Avec cette approche, il a réussi à répliquer les résultats expérimentaux concernant les décalages entre les anticipations des différentes populations.

Le Professeur Daniel Rennequin a réalisé une présentation intitulée « Une introduction aux spinors : de l’espace-temps à la synapse ». Son sujet se place dans le cadre des mathématiques pures, en particulier dans la théorie des groupes et la topologie. Il s’intéresse aux vecteurs de rotation et a présenté aux non-mathématiciens une introduction à leurs propriétés fondamentales.

En résumé, la conférence a rempli ses objectifs. Nous avons pu réunir les principaux chercheurs œuvrant dans ce domaine, et nous avons établi un état des lieux de leurs travaux. Les données expérimentales neurobio­logiques ont été réconciliées avec les prédictions théoriques. Plusieurs découvertes nouvelles ont été révélées et des questions intéressantes ont été soulevées sur des idées reçues. On a le sentiment que ce bouillonne­ment d’échanges scientifiques a incité les participants à considérer les cel­lules de direction, dans de nouvelles perspectives, et l’on peut s’attendre à des innovations dans les travaux qui suivront ce symposium. Nous avons également pu discuter avec les participants de la préparation du premier livre sur les cellules de direction, publié par MIT Press, qui va paraître au printemps 2005. Il s’agit d’un livre de référence détaillé et complet plutôt que d’un compte rendu du symposium. La plupart des chapitres ont été écrits par des participants. Ce livre sera rédigé au niveau général afin de permettre aux non-spécialistes d’accéder aux informations sur ce système de codage cognitif du cerveau.


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