Dans un article sur les raccourcis élaborés par les souris à partir de signaux d’autodéplacement et leur capacité à se constituer une carte cognitive – « Shortcutting From Self-Motion Signals Reveals a Cognitive Map in Mice » (résumé dans « Building a Cognitive Map Through Self-Motion »), publié dans eLife –, le professeur Longtin et son équipe révèlent avoir découvert que les souris sont capables d’une forme de pensée spatiale étonnamment avancée. L’équipe a utilisé une nouvelle méthode d’analyse des mouvements pour montrer que les souris pouvaient s’imaginer un raccourci entre deux points, même si elles n’avaient jamais parcouru ce chemin auparavant.
Depuis des années, les scientifiques se doutent que les animaux comme les souris sont capables de se constituer des « cartes cognitives », c’est-à-dire des représentations mentales internes de l’espace. Il s’est toutefois avéré difficile de le prouver de manière expérimentale et mesurable.
Pour s’attaquer à cette question, le professeur Longtin s’est associé au neuroscientifique Leonard Maler, de la Faculté de médecine de l’Université d’Ottawa, ainsi qu’à une équipe de chercheuses et chercheurs des cycles supérieurs et de niveau postdoctoral. Leur objectif était à la fois simple et ambitieux : tenter de savoir si les souris pouvaient non seulement se souvenir où se trouvait la nourriture, mais aussi se tracer un nouveau chemin entre deux lieux connus.
Dans leur expérience, une souris se déplaçait dans une arène circulaire où il y avait de la nourriture à deux endroits différents. Une fois que l’animal a su où était la nourriture, les scientifiques l’ont retirée. C’est à ce moment-là que les choses ont pris une tournure intéressante.
« Nous avons vu la souris commencer à se déplacer directement d’un emplacement où se trouvait la nourriture à l’autre, explique le professeur Longtin, même si elle n’avait jamais emprunté ce trajet auparavant. » La souris ne se contentait donc pas de réagir aux odeurs ou aux souvenirs du chemin déjà parcouru. Elle s’était créé une carte mentale et imaginé un raccourci.
L’étude doit son succès à une nouvelle façon d’analyser les déplacements des souris. Au lieu de simplement noter la fréquence à laquelle les souris atteignaient un certain objectif, le professeur Longtin et l’ancien chercheur boursier de niveau postdoctoral Mauricio Girardi-Schappo ont mis au point un système pour calculer les probabilités de différentes trajectoires empruntées par la souris. Autrement dit, ils ont évalué la probabilité qu’une souris se déplace dans chaque direction à partir de tous les points possibles dans l’arène.
Ils ont divisé l’arène selon une grille virtuelle et élaboré des cartes thermiques montrant où les souris allaient le plus souvent. Avec le temps, ils ont vu apparaître des itinéraires entièrement nouveaux, des raccourcis qui étaient le résultat d’une réflexion abstraite plutôt que de simples trajets dus à un processus d’essais et d’erreurs.
« Nous faisons un peu la même chose lorsque nous arrivons à trouver une route plus rapide pour rentrer chez nous en imaginant les rues vues d’en haut, explique le professeur Longtin. C’est exactement ce genre de réflexion que nous avons décelé chez les souris. »
« C’est la raison pour laquelle la collaboration est si importante. C’est quand on allie physique et biologie, théorie et expérience que les percées se produisent. »
André Longtin
— Professeur, Département de physique
Au-delà de ces nouvelles connaissances sur l’ingéniosité des souris, les découvertes du professeur Longtin ont d’importantes implications. La capacité de cartographier mentalement l’espace et d’imaginer des itinéraires est un élément fondamental de la cognition humaine. Elle nous aide à retrouver le chemin de la maison, à planifier nos courses et à nous rappeler où nous avons laissé nos clés. Cependant, chez les personnes atteintes de troubles neurologiques comme la maladie d’Alzheimer, cette capacité s’érode. En comprenant comment même un petit cerveau peut créer une carte mentale, les scientifiques disposent ainsi d’un modèle simplifié qu’il leur est possible d’étudier et de comparer en détail avec le cerveau humain.
Le professeur Longtin et son équipe prévoient maintenant de répéter cette expérience avec des souris qui ont été génétiquement modifiées pour imiter les symptômes de la maladie d’Alzheimer. En observant les changements dans leur sens de l’orientation, les scientifiques espèrent réaliser d’autres découvertes sur le fonctionnement de la mémoire et la dégradation des circuits cérébraux et, à terme, trouver des moyens de les préserver ou de les restaurer.
Pour André Longtin, qui a toujours travaillé à l’intersection de la physique et des neurosciences, cette recherche met aussi en valeur l’importance de la collaboration. En travaillant aux côtés de Leonard Maler et d’une équipe d’étudiantes et d’étudiants d’horizons variés, il montre que les grandes questions qui touchent le cerveau peuvent être abordées sous des angles multiples.
« C’est la raison pour laquelle la collaboration est si importante, affirme-t-il. C’est quand on allie physique et biologie, théorie et expérience que les percées se produisent. »
Cette découverte est en train de changer notre conception de l’intelligence animale. Elle pourrait un jour nous aider à comprendre comment des pathologies comme la maladie d’Alzheimer affectent notre capacité à nous orienter.
Pour en savoir plus
- Building a Cognitive Map Through Self-Motion (en anglais seulement)
- Shortcutting From Self-Motion Signals Reveals a Cognitive Map in Mice (en anglais seulement)
- Groupe de neurophysique et de dynamique non linéaire d’André Longtin
- Professeur Leonard Maler
- Laboratoire de neurophysique de Mauricio Girardi-Schappo (en anglais seulement)