Chapitre 4 Les efforts d’intégration des résultats de la recherche biologique
4.1 Les mécanismes moléculaires de la mémoire
La motivation sous-jacente à l’étude des mécanismes moléculaires de la mémoire, d’après Eric Kandel, est celle de contribuer à l’élucidation des phénomènes mentaux associés à l’apprentissage, celui-ci étant en lien direct avec le pouvoir extraordinaire des animaux à ajuster leur comportement d’une manière adaptative à de nouvelles situations161. À cause de son rapport avec l’intelligence, cette capacité est d’un grand intérêt pour la recherche en neurobiologie.
En effet, outre qu’il se trouve à la racine de plusieurs fonctions supérieures complexes qui sont le propre de l’animal rationnel, l’apprentissage est commun à tous les animaux doués d’un système nerveux, où il se manifeste à des différents degrés d’aptitude suivant la hiérarchie du vivant. Cette gradation progressive offre au chercheur en neurobiologie une route naturelle pour la réduction systématique, lui permettant la formulation d’analogies neurales fondées sur des similarités anatomiques et fonctionnelles162.
Qui plus est, comme l’apprentissage, en général, est rendu manifeste par l’habileté de l’animal à répéter un certain comportement, il s’est toujours montré relativement accessible à l’observation expérimentale, ce qui a permis à la science d’exposer
161 « One of the most remarkable aspects of an animal’s behavior is the ability to modify that behavior by
learning, an ability that reaches its highest form in human beings. For me, learning and memory have proven to be endlessly fascinating mental processes because they address one of the fundamental features of human activity: our ability to acquire new ideas from experience and to retain these ideas in memory. » ( Kandel, E.R., "The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses", in
Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1996-2000, Hans Jörnvall (ed.), World Scientific Publishing Co.,
Singapore, 2003, p. 392) .
162 Une des tâches les plus importantes de la recherche en neurobiologie est précisément celle de montrer
quels sont les mécanismes qui, étant à l’origine des phénomènes élémentaires observés dans les espèces inférieures, se conservent à la base des phénomènes complexes observés dans les espèces supérieures. Comme l’affirme Eric Kandel, « The question was and is not whether there is something special about the human brain; there clearly is. Rather, the question is whether the human brain and human behavior have anything at all in common with the nervous system and behavior of simpler animals. If so, these fundamental, common principles of neural organization might well be studied more profitably in simple animals. » ( Kandel, E.R., "The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses", in Nobel
Lectures, Physiology or Medicine 1996-2000, Hans Jörnvall (ed.), World Scientific Publishing Co., Singapore,
clairement les attributs distinctifs de ses formes les plus élémentaires163. Pourtant, ce qui est assez facile à observer, à décrire et à manipuler en termes de la conduite de l’animal, est très difficile à observer, à décrire et à manipuler en termes du fonctionnement de ses cellules et de ses tissus nerveux.
En effet, l’apprentissage est une fonction supérieure complexe qui suppose à ses sources le travail intégratif de la perception, la concentration de l’attention, l’exercice de la mémoire, le contrôle de la motricité et l’action unificatrice de la conscience. De toutes celles-ci, seule la mémoire s’est montrée accessible à la recherche en biologie cellulaire et moléculaire, et cela uniquement au niveau de ses mécanismes biologiques les plus fondamentaux164.
Déjà vers la fin du XIXe siècle, Ramón y Cajal avait proposé que la mémoire résulterait de la formation de nouvelles connexions entre neurones, tandis que d’autres avanceraient plus tard que l’apprentissage produirait, en réalité, des changements importants dans les champs électriques ou dans les gradients chimiques entourant les divers groups de neurones participant à celui-ci, et même encore, des changements dans la composition de base des molécules des acides nucléiques ( ADN et ARN ). Mais aucune preuve de ces différentes théories n’avait
163 Le lecteur est prié de se référer principalement à la recherche de Ivan Pavlov et de Edward Thorndike, qui
eut lieu dans la première moitié du XXe siècle et qui établit les fondements de la technique expérimentale
connue aujourd’hui comme conditionnement classique. Cette technique consiste essentiellement à provoquer artificiellement des réflexes et des habitudes de comportement spontanées dans le sujet expérimental.
164 Nous avons pu remarquer au cours de notre recherche bibliographique que la biologie moléculaire de la
sensation, en particulier celle de la vision, est aussi bien connue, comme le sont quelques uns de ses rapports les plus fondamentaux avec les formes les plus simples et les plus directes de la motricité, mais que les rapports de tous ces différents processus biochimiques avec l’expérience vécue de la perception et avec la vie de la conscience sont encore largement ignorés.
été apportée165. Le progrès de la neurobiologie tout au long du XXe siècle permettait maintenant de les vérifier.
Il s’agissait, principalement, de trouver un organisme vivant qui permettrait l’identification d’un group particulier de neurones qui participerait d’une manière observable et contrôlable à la réponse de l’organisme à un certain acte simple de stimulation sensorielle, stimulation qui pourrait, dans les conditions expérimentales adéquates, donner naissance à une ou à plusieurs formes élémentaires d’apprentissage. Cet organisme, Eric Kandel le trouva dans la limace de mer
Aplysia californica, appelée communément lièvre marin.
Les neurones du système nerveux central de cet animal sont peu nombreux, de grande taille, aisément identifiables au plan morphologique et sont situés à des emplacements invariants166. L’un des réflexes moteurs de ce mollusque est le réflexe défensif de rétraction branchiale, qui lui permet de rétracter son organe
165 « In his Croonian lecture to the Royal Society of 1894, Santiago Ramón y Cajal proposed a theory of
memory storage: memory is stored in the growth of new connections. This prescient idea was neglected in good part for half a century as students of learning fought over new competing ideas. First Karl Lashley, Ross Adey, Wolfgang Köhler, and a number of Gesthalt psychologists proposed that learning leads to changes in electric fields or chemical gradients, which they postulated surround neuronal populations and are produced by the aggregate activity of cells recruited by the learning process. Second, Alexander Forbes and Lorente de Nó proposed that memory is stored dynamically by a self-reexciting chain of neurons. This idea was later championed by Donald Hebb as a mechanism for short-term memory. Finally, Holger Hyden proposed that learning lead to changes in the base composition of DNA or RNA. Even though there was much discussion about the merits of each of these ideas, there was no direct evidence to support any of them. » ( Kandel, E.R., "The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses", in Nobel
Lectures, Physiology or Medicine 1996-2000, Hans Jörnvall (ed.), World Scientific Publishing Co., Singapore,
2003, pp. 399-401 ).
166 « Whereas the mammalian brain has a million-million central nerve cells, Aplysia has only 20,000. These
cells are clustered in 10 anatomical units called ganglia, each of which contains about 2,000 cells. An individual ganglion, such as the abdominal ganglion, mediates not one, but a family of behaviors. Thus, the simplest behaviors that can be modified by learning may involve less than 100 cells. This numerical simplification made it possible to identify the specific contributions of individual neurons to the behavior in which they participate. In addition to being few in number, these cells are the largest nerve cells in the animal kingdom, reaching up to 1,000 µm in diameter, large enough to be seen with the naked eye. Because of their extraordinary size and their distinctive pigmentation, it is possible to recognize many of the cells as unique individuals. One can record from these large cells for many hours without any difficulty, and the same cell can be returned to and recorded from over a period of days. The cells can easily be dissected out for biochemical studies, so that for a single cell one can obtain sufficient mRNA to make a cDNA library. Finally, these identified cells can readily be injected with labeled compounds, antibodies or genetic constructs, procedures which opened up the molecular study of signal transduction within individual nerve cells. » ( Kandel, E.R., "The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses", in Nobel Lectures,
Physiology or Medicine 1996-2000, Hans Jörnvall (ed.), World Scientific Publishing Co., Singapore, 2003, pp.
respiratoire ou branchie à la suite de la stimulation de la peau qui recouvre le siphon de cet organe particulier, le manteau167. Des expériences de laboratoire avaient démontré que ce réflexe simple du lièvre marin pouvait être modifié par trois formes élémentaires d’apprentissage, l’habituation, la sensibilisation et le conditionnement classique ( non différentiel et différentiel ).
En général, à cause de leur instinct de conservation, les animaux répondent à un évènement spontané, nouveau et inattendu, d’une manière défensive. Cette réponse comporte des changements dans leur système nerveux autonome. La dilatation de la pupille, l’augmentation du rythme cardiaque, et l’éveil de l’attention en constituent des exemples facilement observables. Si cette stimulation est répétée à plusieurs reprises sans conséquences négatives pour l’animal, celui-ci apprend à l’ignorer et à rester calme en pareille occurrence. Il s’agit de l’habituation, la forme la plus simple d’apprentissage. Par contre, lorsque l’animal est assujetti à une stimulation nuisible répétée, il apprend à réagir d’une manière beaucoup plus intense à presque tout autre stimulation subséquente. C’est la sensibilisation, l’opposé de l’habituation.
Dans ces deux formes élémentaires non associatives d’apprentissage, l’animal se trouve en rapport avec un seul stimulus auquel il ajuste sa réponse selon son expérience. Dans le conditionnement classique, par contre, l’animal apprend à associer un stimulus neutre avec une deuxième stimulation qui peut être bienfaisante ou nuisible selon les conditions expérimentales. Ainsi, le stimulus qui à l’origine lui était indifférent produit maintenant la même réponse que la
167 « Irving Kupfermann and I first wanted to study the simplest possible behavior of Aplysia. We examined the
animal’s behavioral capabilities and delineated a very simple defensive reflex: the withdrawal of the gill upon stimulation of the siphon, an action that is like the quick withdrawal of a hand from a hot object. In Aplysia, the gill is a respiratory organ that lies exposed in the mantle cavity. When the animal is in a normal, relaxed state, the gill is partially covered by a sheet of skin ( the mantle shelf ), which ends in a fleshy spout, the siphon. When a weak tactile stimulus is applied to the siphon, both the siphon and the gill are withdrawn into the mantle cavity and for protection under the mantle shelf. » ( Kandel, E.R., "The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses", in Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1996-2000, Hans Jörnvall (ed.), World Scientific Publishing Co., Singapore, 2003, p. 397).
stimulation positive ou négative. On dit alors que les deux stimuli forment un pari couplé.
Il existe plusieurs variations ( ou protocoles ) différentes de cette forme primaire de conditionnement classique dont le temps d’application des deux stimuli constitue le paramètre de contrôle ( ou facteur d’association ) de l’expérience elle-même. Ce sont les protocoles dits non différentiels. Mais il existe aussi de variations qui utilisent une ou plusieurs stimulations additionnelles au pari couplé originel, introduisant ainsi dans l’expérience de conditionnement des niveaux de complexité plus élevés ( par exemple, l’animal apprend à anticiper soit l’occurrence d’un stimulus neutre qui est couplé à un stimulus positif suite à l’occurrence du stimulus positif, soit l’absence du stimulus neutre suite à l’occurrence d’un troisième stimulus négatif, celui-ci non couplé au stimulus neutre ). On appelle ces variations particulières de conditionnement classique protocoles différentiels.
En examinant la réponse du lièvre marin à ces trois formes élémentaires analogues de l’apprentissage, l’équipe d’Eric Kandel remarqua premièrement que cet animal montra une forme de mémoire transitoire subsistant uniquement quelques minutes, et une autre forme encore plus stable persistant quelques jours, et que la conversion de la première à la deuxième s’accomplissait par la répétition régulière de l’expérience de stimulation. Ces deux formes de rétention sont, en effet, les analogues de la mémoire à court terme et de la mémoire à long terme des animaux supérieurs168. Et comme ces trois formes élémentaires d’apprentissage sont la conséquence de l’activité neuronale du lièvre marin, il est justifié de penser que cette activité de base se trouverait aussi chez les autres
168 « As we examined these three forms of learning, we were struck by the resemblance each had to
corresponding forms of memory storage in higher vertebrates and humans. As with vertebrate learning, memory storage for each type of learning in Aplysia has two phases, a transient memory that lasts minutes and an enduring memory that lasts days. Conversion of short-term to long-term memory storage requires spaced repetition – practice makes perfect even in snails. » ( Kandel, E.R., "The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses", in Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1996-
2000, Hans Jörnvall (ed.), World Scientific Publishing Co., Singapore, 2003, p. 397 ). Termes en italiques par
animaux qui se montrent capables de ces trois formes d’apprentissage, l’être humain y compris169.
Une deuxième observation importante, celle-ci au niveau cellulaire, montra que dans les trois formes d’apprentissage le circuit neuronal impliqué dans le réflexe demeurait le même, ce qui permit d’observer expérimentalement la façon dont les variations comportementales étaient produites par un circuit neuronal fixe170.
En effet, même si, en fin de compte le nombre total de cellules nerveuses participant à ces comportements simples du lièvre marin est, en réalité, de l’ordre des centaines, l’équipe d’Eric Kandel remarqua qu’il existe un nombre réduit de neurones qui sont directement responsables du réflexe de rétraction branchiale. Ces neurones critiques sont, d’abord, les neurones sensibles à la pression et à la torsion innervant la peau du siphon, ensuite les motoneurones innervant les muscles de la branchie, et finalement les interneurones qui, recevant les impulsions nerveuses de la diversité de neurones sensoriels peuplant le corps de la limace, sont aussi connectés aux motoneurones branchiales, complétant ainsi le circuit.
Le réseau neural identifié pour accomplir les expériences analytiques d’apprentissage est complètement situé dans le ganglion abdominal de la limace. Il
169 « Since behavior and learning is an expression of nerve cell activity, it would be surprising if the learning
capability of people did not have some elementary features in common with the learning of snails, worms or flies. And, if elementary forms of learning are common to all animals with an evolved nervous system, there must be conserved features in the mechanism of learning at the cell and molecular level, that can be studied effectively even in simple invertebrate animals. » ( Kandel, E.R., "The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses", in Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1996-2000, Hans Jörnvall (ed.), World Scientific Publishing Co., Singapore, 2003, p. 395 ). Et, en effet, l’être humain se montre succeptible d’être habitué, sensibilisé et conditionné de différentes manières par les divers stimuli physiques qui remplissent sa vie quotidienne ( réveille-matin, feux de signalisation, cigarrettes, sucre, influence des média, violence, etc. ).
170 « As we examined the neural circuit of this reflex in detail, we were struck by its invariance - the cells that
make up the circuit and their interconnections are always the same. In every animal we examined, each cell connected only to certain target cells and not to others. Carew, John Koester, Wayne Hening, and I also found this invariance in the neural circuitry of other behaviors in Aplysia - inking, control of the circulation, locomotion, - raising a key question in the cell-biological study of learning: How can learning occur in a neural circuit that is precisely wired ? » ( Kandel, E.R., "The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses", in Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1996-2000, Hans Jörnvall (ed.), World Scientific Publishing Co., Singapore, 2003, p. 399 ).
comprend essentiellement vingt-quatre neurones mécanosensoriels en contact direct avec six cellules motrices de la branchie. Ces neurones mécanosensoriels sont aussi en contact indirect avec les cellules motrices de la branchie par le moyen d’un groupe limité d’interneurones. Ces derniers sont en contact direct avec d’autres interneurones et d’autres neurones sensoriels du corps de la limace de mer171. Pour permettre les mesures et les observations expérimentales au niveau cellulaire, le ganglion abdominal des limaces de mer étudiées fut exposé par une procédure chirurgicale. On utilisa des microélectrodes pour mesurer les potentiels d’action dans les neurones mécanosensoriels et les motoneurones. Une fois que ces mesures furent confirmées uniformes, une magnitude optimale fut déterminée pour les différentes stimulations, et les neurones les plus accessibles choisis pour les observations ultérieures. Pour analyser les potentiels d’action au niveau des synapses, ainsi que les mécanismes moléculaires impliqués dans celles-ci, il fut nécessaire d’extirper le ganglion abdominal des limaces, d’isoler le circuit impliqué dans le réflexe et de reproduire les impulsions nerveuses observées au cours des expériences accomplies avec les animaux vivants172.
L’expérience d’habituation consista dans une première application d’un stimulus tactile ( jet d’eau ) ou électrique assez faible à la peau du siphon, suivie par la répétition à dix reprises de la même stimulation à des intervalles réguliers. Le potentiel synaptique produit par cette stimulation fut mesuré dans les motoneurones du circuit après chaque application. L’équipe d’Eric Kandel observa une diminution progressive de ce potentiel à chaque reprise. Après la dixième répétition, la force de la réponse fut réduite à un vingtième de la force mesurée après la première application. Une stimulation subséquente après une période de
171 « The circuit has 24 mechanoreceptor sensory neurons that innervate the siphon skin and make direct
monosynaptic contact with six gill motor cells. The sensory neurons also made indirect connections with the motor cells through small groups of excitatory and inhibitory interneurons. » ( Kandel, E.R., "The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses", in Nobel Lectures, Physiology or
Medicine 1996-2000, Hans Jörnvall (ed.), World Scientific Publishing Co., Singapore, 2003, p. 399 ). Une
repos de dix à quinze minutes montra que le potentiel synaptique était revenu à son niveau de départ.
L’expérience de sensibilisation consista dans l’application à cinq reprises d’un stimulus électrique assez fort pour être désagréable à l’animal. Cette stimulation nuisible fut appliquée soit à la tête, soit à la queue de la limace. Auparavant, le même stimulus électrique faible de l’expérience d’habituation fut appliqué au siphon dans le dessein d’établir un potentiel synaptique mesuré de base. L’équipe d’Eric Kandel observa qu’après avoir subi la stimulation forte, une stimulation subséquente faible du siphon produisait un potentiel synaptique beaucoup plus élevé que le potentiel de base. La capacité de produire ce potentiel élevé en réponse à une stimulation faible persista jusqu’à trente minutes suivant l’application de la stimulation forte.
L’expérience de conditionnement classique consista dans l’application à quinze reprises à des intervalles de quinze minutes d’un stimulus électrique faible à la peau du siphon suivie peu après de l’application d’un stimulus électrique fort à la tête ou à la queue de l’animal, la stimulation faible fonctionnant comme un avertissement de la stimulation forte à venir. L’équipe d’Eric Kandel observa que, suite à l’expérience de la stimulation forte, le potentiel d’action généré par la stimulation faible au siphon de la limace de mer était supérieur au potentiel mesuré dans l’expérience de sensibilisation. On observa aussi que cette différence était inversement proportionnelle à l’intervalle de temps écoulé entre la stimulation faible et la stimulation forte. Qui plus est, le conditionnement classique fut accompli plus rapidement que la sensibilisation et subsista notablement plus longtemps,