Cognition spatiale et navigation

La cognition spatiale concerne la manière dont le cerveau représente l'espace et soutient la navigation, c'est-à-dire la capacité de savoir où l'on se trouve et de trouver son chemin vers des objectifs. La formation hippocampique et le cortex entorhinal contiennent des neurones spécialisés, notamment des cellules de lieu (place cells) qui s'activent à des emplacements particuliers et des cellules de grille (grid cells) qui quadrillent l'environnement selon un motif triangulaire, fournissant ensemble une métrique interne et une carte de l'espace.

Definition

La cognition spatiale et la navigation désignent l'étude de la manière dont le cerveau encode l'emplacement et l'agencement de l'environnement et utilise ces représentations, notamment au sein du système hippocampo-entorhinal, pour soutenir l'orientation et le mouvement dirigé vers un but dans l'espace.

Scope

Ce sujet couvre les bases neurales de la cognition spatiale et de la navigation en tant que matériel de référence en neurosciences cognitives. Il présente l'idée de carte cognitive, les cellules de lieu et de grille et les neurones spatiaux associés, les contributions du système hippocampo-entorhinal, et la pertinence de ces mécanismes pour la mémoire et les troubles affectant la navigation. Il explique les mécanismes et les preuves et ne constitue pas une directive clinique.

Core questions

• Comment le cerveau représente-t-il l'emplacement et l'agencement spatial de l'environnement ?
• Quels rôles les cellules de lieu, les cellules de grille et les neurones associés jouent-ils dans la construction d'une carte de l'espace ?
• Comment les fonctions spatiales de la formation hippocampique sont-elles liées à son rôle dans la mémoire épisodique ?

Key concepts

• Carte cognitive
• Cellules de lieu
• Cellules de grille
• Cellules de direction de la tête
• Cellules de bordure et de frontière
• Cadres de référence allocentriques versus égocentriques
• Intégration du chemin
• Système hippocampo-entorhinal

Key theories

Théorie de la carte cognitive de l'hippocampe

L'hippocampe construit une représentation allocentrique, de type carte, de l'environnement qui soutient une navigation flexible ; les cellules de lieu fournissent la preuve neurale que l'hippocampe encode l'emplacement d'un animal au sein d'une telle carte.

Métrique spatiale basée sur les grilles entorhinales

Les cellules de grille dans le cortex entorhinal médial s'activent à plusieurs emplacements agencés en un réseau triangulaire régulier, fournissant un système de coordonnées périodique, basé sur la distance, qui peut soutenir l'intégration du chemin et alimenter l'hippocampe en informations spatiales.

Mechanisms

La représentation spatiale dans le cerveau émerge de plusieurs types de cellules spécialisées. Les cellules de lieu hippocampiques (hippocampal place cells) s'activent sélectivement lorsqu'un animal occupe un emplacement particulier, représentant collectivement sa position au sein d'un environnement (O'Keefe & Dostrovsky, 1971). Dans le cortex entorhinal médial, les cellules de grille (grid cells) s'activent à plusieurs positions formant un réseau triangulaire régulier, fournissant une métrique spatiale qui soutient l'intégration du chemin (path integration), c'est-à-dire la mise à jour de la position à partir des indices de mouvement propre (Hafting et al., 2005). Celles-ci sont complétées par des cellules de direction de la tête (head-direction cells) qui signalent l'orientation et par des cellules de frontière (border cells) qui répondent aux limites environnementales. Ensemble, ce circuit hippocampo-entorhinal est censé construire et utiliser une carte cognitive, intégrant le codage spatial avec le rôle plus large du système dans la mémoire épisodique (Moser et al., 2008).

Clinical relevance

Étant donné que le système hippocampo-entorhinal soutient à la fois la navigation spatiale et la mémoire, la désorientation et les difficultés de navigation constituent des caractéristiques informatives pour les cliniciens et les chercheurs dans la compréhension de conditions telles que la maladie d'Alzheimer, qui affecte précocement les régions entorhinales et hippocampiques. Cette entrée est une référence éducative sur les bases neurales de la cognition spatiale et ne constitue pas une base pour le diagnostic ou la prise en charge d'un individu.

Evidence & guidelines

Le cadre repose sur des décennies d'enregistrements unitaires chez des animaux en mouvement libre, complétés par des études de neuroimagerie humaine et de lésions (O'Keefe & Dostrovsky, 1971; Hafting et al., 2005), synthétisées dans des revues faisant autorité (Moser et al., 2008). La découverte des cellules de lieu et des cellules de grille a été reconnue par le prix Nobel de physiologie ou médecine 2014, décerné à O'Keefe ainsi qu'à May-Britt et Edvard Moser.

History

L'idée que les animaux forment des cartes internes a été proposée par Edward Tolman en 1948 sur des bases comportementales. En 1971, O'Keefe et Dostrovsky ont découvert les cellules de lieu hippocampiques, donnant à la carte cognitive une base neurale élaborée dans le livre d'O'Keefe et Nadel de 1978. En 2005, le laboratoire Moser a rapporté la découverte de cellules de grille dans le cortex entorhinal, révélant une métrique périodique pour l'espace. Ces découvertes, reconnues par le prix Nobel 2014, ont établi le système hippocampo-entorhinal comme le système de positionnement interne du cerveau.

Debates

L'hippocampe est-il dédié à l'espace ou à la mémoire de manière plus large ?

La théorie de la carte cognitive met l'accent sur la représentation spatiale, tandis que les approches basées sur la mémoire soutiennent que le codage spatial est un exemple d'un rôle plus général dans la mémoire relationnelle et épisodique ; la conciliation des fonctions spatiales et mnésiques de l'hippocampe demeure une question active.

Key figures

• John O'Keefe
• Edvard Moser
• May-Britt Moser
• Lynn Nadel
• Edward Tolman

Seminal works

• okeefe-dostrovsky-1971
• hafting-2005
• moser-2008

Frequently asked questions

Que sont les cellules de lieu et les cellules de grille ?

Les cellules de lieu sont des neurones hippocampiques qui s'activent lorsqu'un animal se trouve à un emplacement spécifique, représentant collectivement sa position. Les cellules de grille sont des neurones entorhinaux qui s'activent à de nombreux emplacements agencés en une grille triangulaire régulière, fournissant une métrique pour la distance et la direction. Ensemble, elles soutiennent une carte interne utilisée pour la navigation.

Pourquoi la même région cérébrale est-elle impliquée à la fois dans la navigation et la mémoire ?

Le système hippocampo-entorhinal soutient à la fois la représentation spatiale et la mémoire épisodique. Une vision influente suggère que représenter où et quand les événements se produisent constitue un cadre naturel pour organiser les souvenirs, de sorte que le codage spatial et la mémoire pourraient être deux facettes du même système relationnel, bien que cette relation soit encore débattue.