Bases structurales et anatomiques de la mémoire

Article original
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Bases structurales
et anatomiques de la mémoire
Pascale Gisquet-Verrier
Laboratoire de Neurobiologie de l’Apprentissage, de la Mémoire et de la Communication, CNRS UMR 8620,
Université Paris Sud, 91405 Orsay Cedex, France
<[email protected]>
Résumé. L’étude du cas de HM a permis la mise en évidence de systèmes de mémoire pouvant fonctionner de
façon plus ou moins autonome, et devant donc reposer sur des circuits structuraux et anatomiques différents. C’est
grâce à l’apport conjoint de la clinique, de la recherche expérimentale et des techniques d’imagerie cérébrale que nos
connaissances dans le domaine ont progressé et permettent aujourd’hui de dresser un bilan relativement cohérent.
Nos connaissances sur la mémoire à court terme sont plus parcellaires que celles qui concernent la mémoire à long
terme. Au sein de la mémoire à long terme, c’est sans aucun doute la mémoire épisodique et la mémoire procédurale
qui ont été les plus explorées. Un domaine de recherche plus récent concerne les interactions et les modifications des
bases structurales de la mémoire qui peuvent intervenir avec l’âge du souvenir et avec le niveau d’acquisition. Cette
approche constitue sans aucun doute un des enjeux majeurs de la recherche sur la mémoire au cours de ces
prochaines années.
Mots clés :bases structurales, système de mémoire, relation et interaction
Abstract. Neural bases of memory
Clinical evidence provided by HM led to the notion that memory is supported by various and relatively independent
systems of memory, that should be related to different structural and anatomical brain circuits. Our knowledge on
that particular point has been enriched by clinical and experimental studies as well as by the increasing development
of cerebral imagery and today a relatively coherent scheme can be proposed. We know more on long-term than
short-term memory. Within long term memory, the episodic memory and the procedural memory are those which
have been the most extensively studied and for which the most complete information can be provided. A more
recent area concerns interactions and modifications of the memory structural basis which can occur either with time
or with the level of practice. This approach is certainly one of the main goals of the research on memory for the
forthcoming years.
Key words:relationship and interaction, memory systems, structural bases
La fonction mnésique est une fonction
complexe qui met en œuvre des capacités sen-
sorielles, cognitives et motrices impliquant de
vastes réseaux neuronaux dont la localisation
dépend du type de mémoire mis en jeu. En
effet, il n’existe pas une mémoire, mais des
mémoires qui peuvent être dissociées sur une
base temporelle et sur la nature des informa-
tions à conserver (figure 1). L’étude du syn-
drome amnésique global du patient HM provo-
qué par une résection bilatérale du lobe
temporal médian (LTM) a été pour beaucoup
dans le développement de nos connaissances
sur la mémoire, notamment en ce qui concerne
ses bases structurales. Ces connaissances issues
des données cliniques ont été complétées et
enrichies par les recherches expérimentales sur
l’animal et par le développement plus récent
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´pilepsies, vol. 18, Numéro spécial, septembre 2006
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des techniques d’imagerie cérébrale. Comme nous le verrons, il
reste encore bien des points à spécifier, notamment au niveau
du fonctionnement global de la mémoire et des interactions
entre les systèmes de mémoire, mais les grandes lignes sont
aujourd’hui bien esquissées.
Bases structurales et anatomiques
de la mémoire à court terme
Cette mémoire correspond à la capacité de saisir une infor-
mation et à la redonner immédiatement, sans effectuer aucun
traitement. Cette mémoire, de courte durée (de l’ordre de la
seconde), a une capacité limitée qui permet de retenir et de
restituer un nombre d’items allant de6à9items (empan
mnésique). Elle dépend de l’intégrité des cortex sensoriels qui
possèdent tous des capacités de mémoire à court terme. On peut
ainsi voir des empans mnésiques normaux sur une modalité
sensorielle et atteints dans une autre modalité.
La mémoire de travail correspond à une forme particu-
lière de mémoire à court terme au cours de laquelle l’informa-
tion à retenir est manipulée. Plusieurs traitements peuvent être
réalisés. Le traitement le plus simple consiste à répéter menta-
lement cette information afin de maintenir la représentation
mentale dans un état actif. C’est typiquement l’opération que
nous réalisons lorsque l’on doit composer un numéro de télé-
phone relevé sur un carnet. Des formes plus élaborées de mé-
moire de travail permettent de travailler sur des représentations
mentales pour effectuer un calcul ou réaliser des rotations
mentales, mener à bien un raisonnement logique ou planifier
une série de coups dans une partie d’échec. On considère que la
mémoire de travail (figure 2) est contrôlée par un administrateur
central localisé qui met en jeu deux systèmes esclaves spécialisés
dans le type d’informations : la boucle phonologique et le
carnet visuospatial pouvant interagir l’un sur l’autre (Baddeley,
1995).
Les données cliniques indiquent que HM présente une
mémoire à court terme normale suggérant que le LTM ne semble
pas impliqué dans la mémoire à court terme. Des déficits de la
mémoire à court terme sans atteinte de la mémoire à long terme
ont été rapportés chez certains patients porteurs de lésions
autour de la scissure de Sylvius gauche, suggérant l’existence de
dissociations entre mémoire à court terme et mémoire à long
terme, toutefois remise en cause à la lumière de données plus
récentes (Ranganath et Blumenfeld, 2005).
Il est généralement considéré que l’administrateur central
est situé au niveau du cortex frontal et que les systèmes esclaves
impliquent des aires cérébrales en relation avec la nature de
l’information traitée (cortex inférotemporal droit pour le regis-
tre visuospatial, cortex pariétal pour le spatial et cortex posté-
rieur gauche la boucle phonologique [figure 2]). Chez l’animal
entraîné dans des épreuves de réponses retardées, des cellules de
délai spécifiquement actives à la suite de la présentation d’une
information à retenir, ont été mises en évidence. Elles pour-
raient permettre le maintien on line de l’information et servir
de support à une mémoire de travail. De tels neurones ont été
enregistrés dans les cortex sensoriels (cortex inférotemporal
visuel) et dans les régions dorsolatérales du cortex préfrontal
(Fuster, 1997).
Bases structurales et anatomiques
de la mémoire à long terme
La mémoire déclarative
La mémoire épisodique correspond à la capacité d’acquérir
et de retenir une nouvelle information. Son altération constitue
DÉCLARATIVE NON DÉCLARATIVE
MÉMOIRE À LONG TERMEMÉMOIRE À COURT TERME
MÉMOIRE
MÉMOIRE DE TRAVAILMÉMOIRE À COURT TERME
FAITS ÉPISODES
LOBE TEMPORAL MÉDIAN
DIENCÉPHALE
PROCÉDURES AMORÇAGE CONDITIONNEMENT
CLASSIQUE
APPRENTISSAGE
NON ASSOCATIF
GANGLIONS
DE LA BASE
CERVELET
CORTEX CERVELET VOIES
RÉFLEXES
CORTEX
SENSORIEL
CORTEX PRÉFRONTAL
CORTEX SENSORIEL
MAINTIEN DE
L’INFORMATION
MAINTIEN ET
MANIPULATION
DE L’INFORMATION
Figure 1 . Taxonomie de la mémoire. Ce schéma, inspiré de celui proposé par Squire (2004), regroupe l’ensemble des capacités mnésiques
d’un sujet humain.
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la caractéristique majeure du syndrome amnésique mis en évi-
dence chez H.M. après résection bilatérale du lobe temporal
médian. Fort logiquement, le LTM et plus précisément les struc-
tures endommagées lors de l’opération de HM : l’hippocampe,
l’amygdale et les cortex avoisinants, ont été considérés comme
les supports structuraux possibles de la mémoire déclarative.
Cependant, identifier précisément les structures impliquées
s’est révélé plus difficile qu’on ne le pensait et l’expérimenta-
tion sur l’animal s’est révélée indispensable pour éclairer ce
débat. Ces études menées chez le singe, puis chez le rat, ont
nécessité le développement de nouvelles techniques lésionnel-
les beaucoup plus précises ainsi que le développement d’épreu-
ves comportementales mettant en jeu la mémoire épisodique
ou son équivalent chez l’animal. Les premiers travaux ayant
constaté une corrélation entre l’atteinte supposée de l’hippo-
campe et l’importance de l’amnésie, l’intérêt s’est focalisé sur
cette structure. L’hippocampe est une structure corticale (archi-
cortex) du système limbique, repliée sur elle-même et située
dans la face médiane du lobe temporal (figure 3). L’hippocampe
est doté de deux systèmes d’entrées-sorties : le faisceau perfo-
rant qui entretient des relations bidirectionnelles avec les cortex
associatifs unimodaux et polymodaux et la fimbria-fornix à
travers laquelle il entretient des relations avec le cortex préfron-
tal et les structures sous-corticales, et grâce à laquelle lui par-
vient son innervation cholinergique. Les connexions intrinsè-
ques de l’hippocampe forment un circuit trisynaptique à
l’intérieur de la structure permettant le traitement de l’informa-
tion et son retour, sur les régions corticales et sous corticales.
Ainsi, l’hippocampe est connecté par une double boucle avec les
cortex et les structures sous-corticales (figure 3).
Le débat a longtemps porté sur l’étendue de la lésion néces-
saire et suffisante pour induire des troubles mnésiques. Assez
rapidement, des expériences menées conjointement chez le
singe et chez le rat ont permis de montrer que l’amygdale ne
jouait pas directement un rôle sur la formation des nouveaux
souvenirs. Ces études ont révélé qu’à côté de l’hippocampe, les
cortex avoisinants : les cortex périrhinal et entorhinal (formant
C
Boucle phonologique :
Aire de Broca
Processeur central
Mémoire visuospatiale :
Aire visuelle
Aire de Wernicke
Hémisphère
gauche
Hémisphère
droit
Administrateur central
- Contrôle et décisions
- Raisonnement
- Compréhension du langage
- Transfert d’information
- Attention dirigée
Boucle phonologique
Maintien des items par répétition
Mémoire phonologique (buffer)
Carnet visuospatial
Imagerie visuelle
Mémoire visuospatiale (buffer)
Mémoire de travail
AB
Figure 2 . La mémoire de travail. D’après le modèle de Baddeley (1995), l’administrateur central peut activer deux systèmes esclaves : la boucle
phonologique (acoustique et linguistique) et le carnet visuospatial (image mentale) qui ont des bases neuro-anatomiques distinctes dans les
études d’imagerie cérébrale. La boucle phonologique active certaines aires de l’hémisphère gauche que l’on associe à la production du langage
comme l’aire de Wernicke et l’aire de Broca. La mémoire visuospatiale serait quant à elle associée à une région du cortex occipital généralement
associée au traitement visuel. D’autre part, certaines sous-régions du cortex préfrontal ne sont activées que si l’exercice de mémorisation
comporte une certaine difficulté pour le sujet, confirmant ainsi le rôle de coordonnateur du processeur central.
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le cortex rhinal) et le cortex parahippocampique (ou post-rhinal
chez le rat) pouvaient également avoir un rôle déterminant
dans la mémoire déclarative. Les études anatomiques ont révélé
que l’hippocampe entretient des projections denses et récipro-
ques avec ces différents cortex qui forment ensemble une bou-
cle hippocampo-corticale. Les modèles dominants de la littéra-
ture proposent que cet ensemble de structures (figure 4) sert de
support à la mémoire épisodique (Squire et Zola-Morgan, 1991 ;
Eichenbaum, 1999). Le rôle de l’hippocampe serait de combiner
les différents composants des souvenirs apportés initialement
par les différentes voies corticales convergeant d’abord vers les
cortex perirhinal et parahippocampique, puis vers le cortex
entorhinal avant de rejoindre l’hippocampe et retourner, en
empruntant un chemin inverse, vers les cortex sensoriels et
associatifs d’origine, permettant l’acquisition rapide de nouvel-
les informations.
Cependant, ce modèle ne prend pas en compte la fimbria-
fornix, l’autre voie entrée/sortie qui met en relation l’hippo-
campe avec le cortex préfrontal et les structures sous-corticales
et lui apporte son innervation cholinergique. Des données
obtenues chez le rat ont d’ailleurs permis de mettre en évidence
des dissociations entre lésion du fornix et lésions du cortex
périrhinal, démontrant ainsi que des informations de natures
différentes transitent par les deux voies d’entrée/sortie de l’hip-
pocampe. On sait d’ailleurs depuis longtemps que le lobe tem-
poral médian n’est pas la seule structure cérébrale importante
dans les processus mnésiques chez l’homme. Les études de
patients atteints du syndrome de Korsakoff (maladie dégénéra-
tive, liée à l’abus d’alcool, qui se caractérise par un syndrome
amnésique global) ont montré l’importance des structures
diencéphaliques, notamment des corps mamillaires, du noyau
antérieur et dorso-médian du thalamus et du faisceau mamillo-
thalamique (figure 3A). Le syndrome amnésique résultant du
syndrome de Korsakoff est très proche de celui décrit après
atteinte du LTM bien que les patients ne soient pas conscients
d’avoir des problèmes mnésiques et aient tendance à fabuler,
différences généralement attribuées à un syndrome frontal,
conséquence de l’atteinte diencéphalique. Au niveau neuropa-
thologique, il est toujours difficile de déterminer si le syndrome
amnésique peut être obtenu après l’atteinte d’un seul de ces
composants. Cependant, des cas d’amnésie ont été rapportés
après des atteintes des corps mamillaires liées au syndrome de
Korsakoff ou à des composantes thalamiques (Victor et al.,
1971), données retrouvées chez l’animal. Le débat concernant la
possibilité d’induire un syndrome amnésique par des lésions
restreintes à certaines composantes diencéphaliques chez
Hippocampe
Fimbria/fornix
Thalamus
Corps mamillaires
Amygdale
AB
Connexions de
l’hippocampe Vers les corps
mamillaires
Fimbria - fornix
Gyrus denté
CA1
Subiculum
Vers les cortex
Cortex
entorhinal
Figure 3 . A) L’hippocampe en situation anatomique au sein du lobe temporal médian ;
B) Le faisceau perforant transmet les afférences corticales à l’hippocampe et innerve les trois principales composantes hippocampiques : le gyrus
denté (GD), et les champs amoniens CA1, CA3 et le subiculum. Les connexions intrinsèques de l’hippocampe forment une boucle trisynaptique
à l’intérieur de la structure. Les axones des cellules granulaires du GD (dentata) envoient des axones vers CA3, fibres appelées fibres moussues.
CA3 envoie ses axones vers CAI par des fibres appelées les collatérales de Schaeffer qui se terminent sur les dendrites des cellules pyramidales de
CA1. CA1 envoie des fibres soit directement, soit indirectement (après relais dans le subiculum) vers les cortex entorhinal et périrhinal. CA1 et
subiculum envoient, de plus, des fibres directes au niveau des aires associatives du cortex.
La fimbria-fornix est une voie septo-hippocampique qui est la principale entrée/sortie mettant en relation l’hippocampe avec les structures
sous-corticales et le cortex préfrontal. Les afférences proviennent de neurones originaires du noyau septal médian, de l’hypothalamus et du tronc
cérébral. Ils innervent toutes les régions de l’hippocampe et principalement le GD. Une composante importante de cette entrée est cholinergique.
Certaines fibres issues du subiculum forment le fornix. Ces fibres efférentes rejoignent directement le septum latéral, le thalamus (noyau
antérieur), les corps mamillaires et le cortex préfrontal médian.
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l’homme reste cependant toujours ouvert probablement à cause
de la proximité des différents composants structuraux.
À côté des modèles dominant de la littérature considérant
que la mémoire épisodique est essentiellement dépendante du
lobe temporal médian, un autre modèle propose d’inclure éga-
lement les structures diencéphaliques (Aggleton et Brown,
1999). Ce système formé d’une double boucle hippocampo-
corticale et hippocampo-diencéphalique permettrait l’enco-
dage et le rappel de toute nouvelle information épisodique
(figure 5). Ce modèle présente l’avantage de prendre en compte
l’ensemble des données de la littérature concernant les bases
possibles du syndrome amnésique global.
Pour qu’il y ait mémoire, il doit y avoir rappel de l’informa-
tion. Le rappel de la mémoire épisodique met en jeu les lobes
frontaux. Des patients porteurs de lésions frontales présentent
des altérations de la mémoire de la source, c’est-à-dire qu’ils ont
des difficultés à savoir où et quand ils ont appris une informa-
tion particulière. Une telle incapacité à se servir des étiquettes
contextuelles pour retrouver le souvenir associé se traduit là
encore par des déficits de la mémoire épisodique. Des données
en imagerie cérébrale ont révélé que la phase de rappel s’accom-
pagne d’une activation du cortex frontal dont l’intensité est
proportionnelle avec celle des processus de recherche mis en
œuvre. Le rôle déterminant du cortex préfrontal dans les pro-
cessus de recherche de l’information épisodique indique que
cette structure cérébrale, largement connectée avec le LTM, fait
partie du réseau structural sous-jacent à la mémoire épisodique
(Buckner et Wheeler, 2001 ; Sakai, 2003 ; Botreau et al., 2004).
Si l’on sait que la mémoire sémantique qui correspond à la
mémoire des faits et des connaissances générales est également
altérée après des lésions du LTM, cependant sa perturbation est
souvent partielle et les données cliniques ont révélé que des
patients avec des lésions restreintes à l’hippocampe sont capa-
bles d’acquérir des connaissances sémantiques. HM, porteur
d’une large lésion du LTM préservant le cortex parahippocam-
pique et une partie du cortex périrhinal, a été capable d’acquérir
un certain nombre de connaissances sémantiques après son
opération, mais cette capacité s’avère impossible chez des pa-
tients présentant des lésions bilatérales quasi complètes du LTM
(Bayley et Squire, 2005). Il semble donc qu’il n’y ait pas une
adéquation entre les supports structuraux de la mémoire épiso-
dique et de la mémoire sémantique. La mémoire sémantique
Cortex associatifs unimodaux et polymodaux
(lobes frontaux, temporaux et pariétaux)
Cortex
périrhinal
Cortex
enthorinal
Hippocampe
Cortex
parahippocampique
Autres projections
directes
Faisceau perforant
Lobe temporal médian chez le singe
Vue ventrale illustrant les structures corticales
entourant l’hippocampe
- Cortex périrhinal
- Cortex parahippocampique
- Cortex entorhinal
- Cortex périamygdaloïde (ne fait pas partie du LTM)
61
A
28
35/36
TE
TEO
TF
TH
Figure 4 . A) Photo d’un encéphale de primate non humain indiquant les différents cortex de la région hippocampique ;
B) Vue schématique des structures du lobe temporal médian importantes pour la mémoire déclarative (d’après Squire et al., 2004).
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