Vieillissement et perte de repères spatiaux : les cellules de grille mises en examen

Chargement de l'article...

Écriture : Marion Durteste
Relecture scientifique : Frédéric Grouiller
Relecture de forme : Jérémy Ferrand et Eléonore Pérès

Temps de lecture : environ 10 minutes.
Thématiques : Neurobiologie (Biologie), Neurosciences cognitives (Sciences cognitives)

Publication originale : Stangl M., et al., Compromised Grid-Cell-like Representations in Old Age as a Key Mechanism to Explain Age-Related Navigational Deficits. Current Biology, 2018. DOI : 10.1016/j.cub.2018.02.038

À l’ère du smartphone et du GPS, nous avons tendance à prendre pour acquis nos capacités d’orientation dans l’espace. Que se passe-t-il cependant quand ces dernières nous font défaut ? Au cours du vieillissement sain, des déficits de navigation spatiale apparaissent et impactent de manière délétère l’autonomie et la mobilité des personnes âgées. Les bases neurobiologiques d’un tel déclin restent largement inexplorées. Une équipe de chercheurs a mis en lumière le rôle potentiel des cellules de grille : ces cellules du cortex entorhinal qui cartographient notre environnement pourraient être modifiées avec l’âge.

La navigation spatiale chez les personnes âgées : on se perd plus quand on vieillit 

L’autre jour, je me suis perdue en cherchant le café où l’on m’avait donné rendez-vous. J’ai même été obligée de demander mon chemin ! Désormais je sais que pour m’y rendre depuis chez moi, je dois tourner à gauche à la boulangerie puis longer l’université. Cette capacité que j’ai — et que vous avez aussi d’ailleurs — à planifier un itinéraire pour voyager d’un point A à un point B est un aspect fondamental d’une faculté que l’on appelle la navigation spatiale. Ce terme désigne le processus par lequel nous parvenons à nous situer et à nous orienter dans l’environnement. Je sollicite cette capacité pour la majorité de mes activités quotidiennes : trouver un café que je ne connais pas par exemple, mais aussi aller chercher le pain ou me rendre au travail. 

Bien que nous nous perdions tous de temps en temps, la navigation spatiale est une aptitude que nous prenons pour acquise. Bien rares sont les fois où nous nous retrouvons pleinement désorientés. Pour certains cependant, la désorientation peut devenir un véritable fardeau au quotidien et peut avoir des conséquences beaucoup plus sérieuses qu’une simple perte de temps. 

Cela pourrait vous surprendre, mais c’est le cas notamment au cours du vieillissement dit sain ou normal. C’est un processus où les fonctions cognitives sont préservées, par rapport à la moyenne des individus pour un âge donné. Les personnes âgées montrent en effet des difficultés à se repérer dans des environnements nouveaux et à modifier leur trajectoire face à des obstacles imprévus [1]. Par exemple, les seniors qui passent du temps au volant sont nombreux à rapporter une détérioration de leur sens de l’orientation [2]. Un tel déclin n’a rien d’anodin puisqu’il entraîne des pertes d’autonomie et de mobilité qui peuvent grandement nuire à la qualité de vie des individus âgés. 

Pourquoi est-il pressant de s’intéresser à ce sujet ? Figurez-vous que le 21ème siècle est marqué par un vieillissement démographique sans précédent. En 2050, les personnes âgées de plus de 60 ans représenteront un tiers de la population mondiale [3] ! De la biologie à la sociologie en passant par l’épidémiologie, toutes les disciplines scientifiques sont mobilisées pour mieux appréhender et gérer ce phénomène social. Les neuroscientifiques se penchent aussi sur la question : quels changements cérébraux au cours du vieillissement sain pourraient expliquer les déficits de navigation spatiale ?

Que se passe-t-il dans notre cerveau lorsque nous explorons l’environnement ? 

Chez les mammifères, des mécanismes complexes dans le cerveau se mettent en place et aboutissent à la formation de « cartes mentales » de l’environnement. Ces cartes contiennent des informations très précises sur la position et l’orientation de l’animal ainsi que sur l’agencement de l’espace dans lequel il évolue. Lorsque je me rends à ce fameux café, mon cerveau crée une carte de mon environnement avec toutes les positions clés : la boulangerie, l’université et le café. Si je décide d’y retourner, mon cerveau ira directement chercher la carte correspondante et la révisera en fonction des informations présentes ce jour-là. Si une épicerie s’est implantée à côté de la boulangerie, c’est une information supplémentaire que mon cerveau utilisera pour consolider la carte. Au fil du temps, la carte de l’environnement s’améliorera et je serai de mieux en mieux orientée en me rendant au café. Depuis de nombreuses années, des scientifiques s’intéressent à la façon dont les cartes sont formées puis révisées dans le cerveau. Des travaux conduits principalement chez les rongeurs ont montré qu’un ensemble de cellules spécialisées opère comme un GPS. En effet, ces cellules calculent de manière ininterrompue la position, la distance parcourue, l’orientation de la tête ou encore la vitesse de l’animal. On retrouve ces populations de cellules dans plusieurs régions du cerveau telles que l’hippocampe ou le cortex entorhinal (Figure 1).

Figure 1. Deux régions du cerveau impliquées dans la navigation spatiale. Rouge : hippocampe ; bleu : cortex entorhinal.

De nombreux types de cellules jouent un rôle critique dans la formation d’une « carte mentale » dont les plus connues sont les cellules de lieu et les cellules de grille. 

Les cellules de lieu se situent dans l’hippocampe (Figure 1) : une cellule s’active lorsque l’animal se trouve à une position précise de l’environnement [4]. Imaginons par exemple que je me trouve sur le trottoir en face du café. La cellule de lieu qui « préfère » cet emplacement sera ravie et s’activera. Par contre elle ne s’activera plus une fois que j’aurais traversé la route, c’est une autre cellule de lieu qui prendra le relais. Ainsi, l’activité d’une cellule de lieu augmente seulement lorsque l’animal se trouve dans l’emplacement associé à cette cellule (Figure 2A). 

Une cellule de grille du cortex entorhinal (Figure 1) s’active, quant à elle, plusieurs fois dans un environnement donné [5]. Dans notre exemple, une même cellule de grille s’activera donc à plusieurs emplacements dans les environs du café : sur le trottoir en face du café, sur le passage piéton, devant la porte d’entrée du café, etc. Si on dessinait un plan du quartier sur une feuille et que l’on s’amusait à relier les endroits où la cellule s’est activée, on obtiendrait une sorte de grille, d’où le nom de ces cellules (Figure 2B). Ces découvertes étonnantes ont révolutionné le domaine des neurosciences cognitives et ont valu à John O’Keefe, Edvard Moser et May-Britt Moser le prix Nobel de Physiologie ou Médecine en 2014. Notons que malgré quelques différences mineures, ces différents types de cellules ont été largement conservés au cours de l’évolution entre espèces et existent même au sein de l’espèce humaine.

Figure 2. Enregistrement de l’activité d’une seule cellule de lieu (A) et d’une seule cellule de grille (B) chez le rat. Gauche : le tracé bleu reflète la trajectoire d’un animal à travers un enclos carré. Les zones rouges indiquent chaque emplacement où la cellule s’est activée. Droite : activité d’une cellule, avec en rouge une forte activité et en bleu une faible activité. (A) Une cellule de lieu dans l’hippocampe d’un rat : on observe que la cellule s’active à un unique endroit dans l’enclos. (B) Une cellule de grille dans le cortex entorhinal d’un rat: on observe que la cellule s’active à plusieurs endroits dans l’enclos. Adaptée de [6]. 

Les changements cérébraux impliqués dans le déclin des capacités de navigation spatiale avec l’âge restent méconnus. L’étude des cellules de grille dans le cortex entorhinal présente un intérêt tout particulier car elle peut se faire chez l’humain grâce à une technique non-invasive dont je vous parlerai dans le prochain paragraphe. De plus, le cortex entorhinal est une région cérébrale fortement impactée par le vieillissement et un défaut des cellules de grille pourrait expliquer le déclin des capacités de navigation spatiale. Une équipe de chercheurs, basée à Magdeburg en Allemagne, a tenté d’élucider ce mystère en comparant l’activité des cellules de grille chez 20 participants humains jeunes (19-30 ans) et 21 participants âgés (63-81 ans).

Une technique inattendue pour étudier l’activité des cellules de grille chez l’homme : l’IRM fonctionnelle 

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une technique de neuroimagerie, c’est-à-dire qu’elle permet de visualiser les zones du cerveau, et en particulier les zones du cerveau activées lors de tâches expérimentales. L’IRMf se base sur l’augmentation locale du flux sanguin qui suit l’activation d’une aire cérébrale. Le dispositif consiste en un appareil d’IRM accompagné d’un écran, situé à la sortie du tube, sur lequel est projetée une tâche expérimentale à travers un miroir placé juste au-dessus de la tête du participant (Figure 3).

Figure 3. Dispositif pour IRMf. L’individu est allongé dans la machine et regarde un miroir sur lequel est reflété un écran. La tâche expérimentale est projetée à l’écran : l’individu peut donc la visualiser depuis l’intérieur de l’appareil.

Revenons à notre étude. Allongés dans l’IRM, les 41 participants doivent réaliser virtuellement une tâche de navigation spatiale semblable à un jeu vidéo. La tâche, projetée sur l’écran, consistait à mémoriser l’emplacement de trois objets placés de façon aléatoire dans une salle virtuelle. Les expérimentateurs demandaient ensuite aux individus de naviguer à l’aide d’un joystick vers la position exacte de l’un des trois objets. Pendant l’expérience, l’activité cérébrale des participants était enregistrée, permettant ainsi de définir les aires cérébrales activées, et donc impliquées dans la réalisation de cette tâche chez les jeunes adultes et les personnes âgées. 

On a dit que l’IRMf permet de visualiser l’activité des aires du cerveau. La question que l’on pourrait se poser maintenant, c’est de savoir comment Stangl et ses collègues ont fait pour étudier précisément les cellules de grille. Celle-ci est tout à fait légitime car la résolution spatiale de l’IRMf ne permet absolument pas d’enregistrer directement l’activité des cellules. Il s’agit ici d’une mesure indirecte qui se base sur quelques propriétés spécifiques aux cellules de grille. Les chercheurs peuvent ainsi inférer l’activation des cellules de grille lorsque le signal, dans une région spécifique du cerveau, montre un comportement qui correspond à ces propriétés. Ne vous fiez pas à la simplicité apparente de cette description, cette méthode d’analyse des données IRM est extrêmement complexe et représente une des avancées phares de ces dernières années en neuroimagerie. 

Le dysfonctionnement des cellules de grille contribuerait aux déficits de navigation spatiale liés à l’âge 

Quels résultats les chercheurs ont-ils obtenus ? Premièrement et de façon tout à fait attendue, les sujets âgés montrent plus de difficultés que les sujets jeunes à s’orienter et à replacer correctement les objets dans l’environnement virtuel. Une importante activité des cellules de grille dans le cortex entorhinal a été mise en évidence chez les participants jeunes. Chez les participants âgés, cette activité était fortement réduite. Les chercheurs ont souhaité comprendre les raisons d’une telle réduction. Selon eux, la modification de l’activité des cellules de grille dans le vieillissement proviendrait d’une grande instabilité temporelle de ces dernières. En effet, les cellules de grille construisent une « carte mentale » qui doit être stable au cours du temps. Si ma carte mentale de l’environnement autour du café est instable, cela signifie que mon cerveau modifie sans arrêt la position des différents éléments tels que le trottoir, le passage piéton ou la porte. Bien qu’en réalité le trottoir se trouve en face de la porte du café, la carte mentale de mon cerveau pourra m’informer par exemple que le trottoir se trouve à gauche de la porte. Stangl et ses collègues émettent ainsi l’hypothèse que dans le vieillissement, ces cartes sont constamment modifiées, empêchant la formation de cartes stables et complètes de l’environnement et contribuant au déclin des capacités de navigation spatiale.

Les résultats décrits ont une grande importance dans le domaine. Pour la première fois, l’altération d’un mécanisme cérébral essentiel à la navigation offre une explication tangible au déclin des capacités d’orientation spatiale dans le vieillissement. L’équipe de chercheurs apporte une nouvelle pièce au puzzle des déficits cognitifs liés à l’âge. Les cellules de grille pourraient ainsi constituer un ensemble de cellules essentiel au bon fonctionnement neurocognitif. N’oublions pas que cerner les bases cérébrales du vieillissement est un prérequis essentiel afin de mettre en place des stratégies d’intervention et de thérapies efficaces.

Attention ! Comme dans toute étude scientifique, il y a des limites qu’il est primordial de retenir. L’IRMf correspond à un signal de variation du débit sanguin. C’est une mesure indirecte de l’activité des cellules de grille, qui ne permet en aucun cas un enregistrement véritable de celles-ci. Chez l’humain, le seul moyen dont nous disposons aujourd’hui pour avoir une mesure directe est l’électroencéphalographie (EEG) intracrânienne. Cette méthode consiste à enregistrer l’activité électrique du cerveau à l’aide d’électrodes implantées sous la boîte crânienne. Elle est utilisée chez des patients épileptiques pour localiser le foyer épileptique dans le cadre d’un diagnostic pré-chirurgical. Vous vous doutez bien qu’elle n’est donc pas praticable sur des sujets sains…  Certains chercheurs ont ainsi mis en garde contre l’utilisation du terme « cellule de grille » dans les études en IRMf comme celle-ci, et défendent l’emploi de tournures plus nuancées comme « représentations similaires à des cellules de grille ». Cela étant, nombreux sont les scientifiques qui estiment que l’existence d’un signal jouant un rôle clé dans la cognition des personnes âgées offre de nombreuses perspectives de recherche fascinantes, même si ce dernier ne reflète pas exactement et directement l’activité des cellules de grille. 

De cet article j’aimerais que vous retiriez deux éléments. Déjà, que la navigation spatiale est une faculté essentielle à la qualité de vie des personnes âgées et qu’il faut impérativement s’en préoccuper. Et ensuite, que le dysfonctionnement des cellules de grille au cours du vieillissement pourrait contribuer au déclin d’une telle faculté. La prochaine fois que vous chercherez votre chemin, ne perdez pas patience, soyez plutôt reconnaissant du travail colossal que fournissent vos cellules de grille pour vous offrir un sens de l’orientation !


[1] Lester A. W., et al., The Aging Navigational System. Neuron, 2017. DOI : 10.1016/j.neuron.2017.06.037.

[2] Burns P. C., Navigation and the mobility of older drivers. The Journals of Gerontology: Series B, 1999. DOI : 10.1093/geronb/54B.1.S49.

[3] United Nations. World Population Prospects 2019: Highlights. United Nations Publication, 2019. 

[4] O’ Keefe J. & Dostrovsky J., The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research, 1971. DOI : 10.1016/0006-8993(71)90358-1.

[5] Hafting T., et al., Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature, 2005. DOI : 10.1038/nature03721.

[6] Pilly P.K., & Grossberg S., Spiking Neurons in a Hierarchical Self-Organizing Map Model Can Learn to Develop Spatial and Temporal Properties of Entorhinal Grid Cells and Hippocampal Place Cells.PLoS One, 2013. DOI : 10.1371/journal.pone.0060599


Écriture : Marion Durteste
Relecture scientifique : Frédéric Grouiller
Relecture de forme : Jérémy Ferrand et Eléonore Pérès

Temps de lecture : environ 13 minutes.
Thématiques : Neurobiologie (Biologie), Neurosciences cognitives (Sciences cognitives)

Publication originale : Stangl M., et al., Compromised Grid-Cell-like Representations in Old Age as a Key Mechanism to Explain Age-Related Navigational Deficits. Current Biology, 2018. DOI : 10.1016/j.cub.2018.02.038

À l’ère du smartphone et du GPS, nous avons tendance à prendre pour acquis nos capacités d’orientation dans l’espace. Que se passe-t-il cependant quand ces dernières nous font défaut ? Au cours du vieillissement sain, des déficits de navigation spatiale apparaissent et impactent de manière délétère l’autonomie et la mobilité des personnes âgées. Les bases neurobiologiques d’un tel déclin restent largement inexplorées. Une équipe de chercheurs a mis en lumière le rôle potentiel des cellules de grille : ces cellules du cortex entorhinal qui cartographient notre environnement pourraient être modifiées avec l’âge.

La navigation spatiale chez les personnes âgées : on se perd plus quand on vieillit 

Le 21ème siècle est marqué par un vieillissement démographique sans précédent. En 2050, les personnes âgées de plus de 60 ans représenteront un tiers de la population mondiale [1]. La prévalence des maladies neurodégénératives devrait également augmenter ; il est prédit que d’ici 30 ans le nombre d’individus atteints de la maladie d’Alzheimer aura quadruplé [2]. De la biologie à la sociologie en passant par l’épidémiologie, toutes les disciplines scientifiques sont mobilisées pour mieux appréhender et gérer ce phénomène social. Les neuroscientifiques se penchent aussi sur la question et tentent d’élucider les mécanismes cérébraux qui sous-tendent les déficits de perception, d’attention, de mémoire ou de navigation spatiale liés à l’âge. 

Le terme de navigation spatiale désigne le processus par lequel nous parvenons à nous situer et à nous orienter dans l’environnement. Nous sollicitons cette capacité pour la majorité de nos activités quotidiennes : aller chercher le pain, se rendre au travail ou retrouver un ami dans un quartier jusqu’alors inconnu. Son déclin dans le vieillissement entraîne des pertes d’autonomie et de mobilité qui peuvent grandement nuire à la qualité de vie des individus âgés. Ces derniers montrent principalement des difficultés à se repérer dans des environnements nouveaux et à modifier leur trajectoire face à des obstacles [3]. De plus, la perte d’orientation dans l’espace est une plainte fréquemment rapportée par les conducteurs plus âgés [4]. Notons que nous nous intéressons dans cet article au vieillissement dit sain ou normal, termes désignant une préservation relative des capacités cognitives par rapport à la moyenne pour un âge donné. 

Que se passe-t-il dans notre cerveau lorsque nous explorons l’environnement ? 

Chez le mammifère, de nombreux travaux ont mis en évidence des mécanismes cérébraux complexes et précis permettant de former une représentation spatiale de l’environnement. En effet, des réseaux de neurones logés au sein de diverses régions du lobe temporal médial (Figure 1) se chargent de traiter spécifiquement les informations relatives à la position de l’animal dans l’espace. Trois populations de neurones jouent un rôle primordial dans cette représentation spatiale : les cellules de lieu (ou place cells), les cellules de grille (ou grid cells) et les cellules de direction de la tête (ou head-direction cells).

Figure 1. Deux régions du lobe temporal médial (en couleur). Rouge : hippocampe ; bleu : cortex entorhinal. 

Les cellules de lieu se situent dans l’hippocampe (Figure 1) et chaque cellule signale une position précise de l’environnement dans lequel l’animal se trouve : on parle de champ d’activité [5]. Ainsi, l’activité d’une cellule de lieu augmente seulement quand l’animal se trouve dans l’emplacement associé à cette cellule (Figure 2A). Les cellules de grille du cortex entorhinal (Figure 1), proche collaborateur de l’hippocampe, possèdent quant à elles plusieurs champs d’activité espacés de façon périodique [6]. En d’autres termes, une même cellule s’active plusieurs fois dans un environnement, formant une grille hexagonale et quadrillant l’entièreté de l’espace visité par l’animal (Figure 2B). Ces découvertes ont révolutionné le domaine des neurosciences cognitives et ont valu à John O’Keefe, Edvard Moser et May-Britt Moser le prix Nobel de Physiologie ou Médecine en 2014. Enfin, les cellules de direction de la tête s’activent quand la tête de l’animal est tournée dans une direction spécifique [7]. Notons que malgré quelques différences mineures, ces réseaux de neurones sont largement conservés entre espèces et ont été mis en évidence au sein de l’espèce humaine.

Figure 2. Enregistrement de l’activité d’une seule cellule de lieu (A) et d’une seule cellule de grille (B) chez le rat. Gauche : le tracé bleu reflète la trajectoire d’un animal à travers un enclos carré. Les zones rouges indiquent chaque emplacement où la cellule s’est activée. Droite : activité d’une cellule, avec en rouge une forte activité et en bleu une faible activité. (A) Une cellule de lieu dans l’hippocampe d’un rat : on observe que la cellule s’active à un unique endroit dans l’enclos. (B) Une cellule de grille dans le cortex entorhinal d’un rat : on observe que la cellule s’active à plusieurs endroits dans l’enclos. Adaptée de [8]. 

Les changements cérébraux qui sous-tendent le déclin des capacités de navigation spatiale avec l’âge restent méconnus. L’étude des cellules de grille dans le cortex entorhinal présente un intérêt tout particulier. En effet, le cortex entorhinal est une région cérébrale fortement impactée par le vieillissement et un défaut des cellules de grille pourrait expliquer le déclin des capacités de navigation spatiale. Une équipe de chercheurs, basée à Magdeburg en Allemagne, a tenté d’élucider ce mystère en comparant l’activité des cellules de grille chez 20 participants humains jeunes (19-30 ans) et 21 participants âgés (63-81 ans).

Une technique inattendue pour étudier l’activité des cellules de grille chez l’homme : l’IRM fonctionnelle

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou IRMf, est une technique de neuroimagerie permettant de visualiser les zones du cerveau activées lors de tâches expérimentales. Elle se base sur l’augmentation locale de flux sanguin suite à l’activation d’une aire cérébrale. L’afflux sanguin entraîne une augmentation importante du ratio oxyhémoglobine/désoxyhémoglobine (selon que l’hémoglobine porte ou non des molécules d’O2) entraînant ainsi l’apparition d’un signal mesurable : le signal BOLD (Blood Oxygen Level-Dependent). Le dispositif consiste en un appareil d’IRM accompagné d’un écran, situé à la sortie du tube, sur lequel est projeté une tâche expérimentale à travers un miroir placé juste au-dessus de la tête du participant (Figure 3).

Figure 3. Dispositif pour IRMf. L’individu est allongé dans la machine et regarde un miroir sur lequel est reflété un écran. La tâche expérimentale est projetée à l’écran : l’individu peut donc la visualiser depuis l’intérieur de l’appareil.

Revenons à notre étude. Allongés dans l’IRM, les 41 participants devaient réaliser virtuellement une tâche de navigation spatiale, semblable ainsi à un jeu vidéo. La tâche, projetée sur l’écran, consistait à mémoriser l’emplacement de trois objets placés de façon aléatoire dans une salle virtuelle. Les expérimentateurs demandaient ensuite aux sujets de naviguer à l’aide de manettes vers la position exacte d’un des trois objets. Pendant l’expérience, l’activité cérébrale des participants était enregistrée, permettant ainsi de définir les aires cérébrales impliquées dans la réalisation de cette tâche chez les jeunes adultes et les personnes âgées. Notons que dans cette étude, les mêmes sujets ont également participé à une expérience de navigation « grandeur nature » grâce à un casque de réalité virtuelle. Les participants étaient guidés par des expérimentateurs sur des chemins prédéfinis et devaient estimer à plusieurs positions le long de la trajectoire leur distance et direction par rapport au point de départ. La question que vous pourriez vous poser maintenant, c’est de savoir comment Stangl et ses collègues ont fait pour étudier les cellules de grille en utilisant l’IRMf. C’est une des avancées phares de ces dernières années en neuroimagerie : le comportement des cellules de grille peut être étudié chez l’humain grâce à une méthode d’analyse très précise des données ! La résolution spatiale de l’IRM ne permettant pas d’enregistrer directement l’activité des cellules, il s’agit ici d’une mesure indirecte reposant sur trois propriétés essentielles des cellules de grille :

  1. L’orientation du quadrillage [*] (φ) formé par les cellules de grille semble être équivalente entre cellules proches et lointaines. En IRMf, cela se traduit par une cohérence [**] entre voxels (équivalent d’un pixel en 3D) du signal BOLD associé à l’activité de ces neurones.
  2. L’activité de sous-populations de cellules de grille est modulée par la direction de la trajectoire de l’animal dans l’environnement. Ainsi, le signal BOLD au sein d’une sous-population de ces neurones augmente lorsque leur direction « préférée » est empruntée (Figure 4).
  3. Ces directions de prédilection s’alignent avec l’orientation du quadrillage des cellules de grille.
Figure 4. (A) La direction du mouvement dans l’environnement virtuel peut être alignée (bleu) ou non-alignée (gris) avec le quadrillage (les traits noirs représent l’orientation du quadrillage d’une cellule de grille). (B) La courbe rouge montre le motif attendu du signal BOLD lorsque la direction du mouvement est alignée avec l’orientation du quadrillage φ ou un multiple de φ (sections bleues). Adaptée de [9]. 

Une fois les données collectées, les chercheurs ont minutieusement examiné le signal dans le cortex entorhinal des participants jeunes et âgés. Tout signal qui respectait les trois propriétés citées ci-dessus était considéré comme reflétant, de manière indirecte, l’activité des cellules de grille. Cette nouvelle méthode d’analyse en IRMf permet donc de détecter un signal BOLD aux variations périodiques de plus grande amplitude lorsque la trajectoire est alignée avec l’orientation du quadrillage. 

Le dysfonctionnement des cellules de grille contribuerait aux déficits de navigation spatiale liés à l’âge 

Premièrement, une importante activité des cellules de grille dans le cortex entorhinal a été mise en évidence chez les participants jeunes. Chez les participants âgés, l’amplitude du signal BOLD est fortement réduite. Les chercheurs ont souhaité comprendre les raisons d’une telle réduction. Deux options s’offraient à eux : une instabilité temporelle (les orientations du quadrillage des cellules de grille changent dans le temps) ou une instabilité spatiale (les orientations de chaque voxel ne sont pas homogènes au sein du cortex entorhinal) du signal. En analysant les données, ils ont observé que la modification de l’activité des cellules de grille dans le vieillissement proviendrait d’une grande instabilité temporelle du signal BOLD. 

Dans un deuxième temps, les auteurs de cette étude se sont penchés sur le comportement des participants lors de la tâche de navigation avec le casque de réalité virtuelle. Ils ont d’abord montré que les participants âgés présentent plus de difficultés que les participants jeunes à estimer leurs position et distance par rapport au point de départ. Ensuite, ils ont dévoilé un lien entre l’activité des cellules de grille et la performance des participants âgés. En effet, les personnes âgées avec un faible taux d’erreur exhibent une activité neuronale dans le cortex entorhinal de plus forte amplitude. Il est toutefois important de souligner les limites qui accompagnent l’utilisation de la réalité virtuelle pour la navigation spatiale des personnes âgées. Il faut déjà savoir que de manière générale, la navigation avec un casque de réalité virtuelle est fortement différente de la navigation en conditions réelles. De plus, un certain degré d’immersion est indispensable pour être capable de s’orienter virtuellement, une aptitude qui est fortement réduite chez les adultes plus âgés. Certaines études ont remarqué un biais de sélection important : seuls les individus âgés familiers avec les nouvelles technologies participent aux expériences de réalité virtuelle [10]. Les résultats sont donc à prendre avec beaucoup de précaution et ne sont pas forcément généralisables à la population âgée globale. 

Malgré cette limitation, les résultats décrits ont une grande importance dans le domaine. Pour la première fois, l’altération d’un mécanisme cérébral essentiel à la navigation offre une explication tangible au déclin des capacités d’orientation spatiale dans le vieillissement. Stangl et ses collègues apportent une nouvelle pièce au puzzle des déficits cognitifs liés à l’âge. Les cellules de grille pourraient constituer un réseau de neurones essentiel au bon fonctionnement neurocognitif. Or, cerner les bases cérébrales du vieillissement est un prérequis essentiel afin de mettre en place des stratégies d’intervention et de thérapies efficaces. 

Il est indispensable de rappeler que l’IRMf correspond à un signal de variation du débit sanguin, qui est une mesure indirecte de l’activité des cellules de grille et ne permet en aucun cas un enregistrement véritable de celles-ci. Chez l’humain, le seul moyen dont nous disposons aujourd’hui pour avoir une mesure directe est l’électroencéphalographie (EEG) intracrânienne. Cette méthode consiste à enregistrer l’activité électrique cérébrale à l’aide d’électrodes implantées sous la boîte crânienne de patients épileptiques pour localiser le foyer épileptique dans le cadre d’un diagnostic pré-chirurgical. Elle a donc l’inconvénient d’être invasive et de ne pas pouvoir être réalisée sur un grand échantillon. Certains chercheurs ont donc mis en garde contre l’utilisation du terme « cellule de grille » dans les études en IRMf et défendent l’emploi de tournures plus nuancées comme « représentations similaires à des cellules de grille ». Cela étant, nombreux sont les scientifiques qui estiment que l’existence d’un signal aux variations périodiques étonnantes et jouant un rôle clé dans la cognition des personnes âgées offre de nombreuses perspectives de recherche fascinantes, même si ce dernier ne reflète pas exactement et directement l’activité des cellules de grille. 

Comprendre les cellules de grille : un intérêt pour la maladie d’Alzheimer ? 

Cette découverte a des implications cliniques particulièrement cruciales. La maladie d’Alzheimer est une maladie neurodégénérative caractérisée notamment par une perte progressive de la mémoire épisodique. Un des symptômes précoces de cette maladie est le déclin des capacités d’orientation spatiale sous-tendu par des changements dans le cortex entorhinal. Identifier une altération des cellules de grille en IRMf avant que la maladie d’Alzheimer ne se déclare pourrait permettre une prise en charge rapide du patient. Une équipe de chercheurs a d’ailleurs récemment montré que les jeunes adultes porteurs d’un allèle de vulnérabilité à la maladie d’Alzheimer (allèle e4 du gène codant pour l’Apolipoprotéine E) présentent une activité des cellules de grille réduite en comparaison de jeunes adultes non porteurs [11]. Cette activité réduite serait en corrélation avec une performance et une stratégie de navigation spatiale non optimales. Le dysfonctionnement des cellules de grille dans le cortex entorhinal semble apparaître tôt à l’âge adulte et pourrait ainsi servir d’outil prognostic. Enfin, l’amélioration de la fonction entorhinale, et donc de l’activité des cellules de grille, est une piste thérapeutique novatrice et originale pour la maladie d’Alzheimer à explorer dans les années à venir.


[*] L’orientation du quadrillage est calculée à partir d’un point de référence arbitraire à 0°, correspondant souvent à un élément visuel de l’environnement.

[**] Ici, le mot « cohérence » fait référence à la synchronisation des fréquences du signal BOLD entre voxels.


[1] United Nations. World Population Prospects 2019: Highlights.United Nations Publication, 2019. 

[2] Brookmeyer R., et al., Forecasting the global burden of Alzheimer’s disease. Alzheimer’s Dementia, 2007. DOI : 10.1016/j.jalz.2007.04.381.

[3] Lester A. W., et al., The Aging Navigational System. Neuron, 2017. DOI : 10.1016/j.neuron.2017.06.037.

[4] Burns P. C., Navigation and the mobility of older drivers. The Journals of Gerontology: Series B, 1999. DOI : 10.1093/geronb/54B.1.S49.

[5] O’ Keefe J. & Dostrovsky J., The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research, 1971. DOI : 10.1016/0006-8993(71)90358-1.

[6] Hafting T., et al., Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature, 2005. DOI : 10.1038/nature03721.

[7] Taube J. S., et al., Head-direction cells recorded from the postsubiculum in freely moving rats. I. Description and quantitative analysis. Journal of Neuroscience, 1990. DOI : 10.1523/jneurosci.10-02-00420.1990.

[8] Pilly P.K., & Grossberg S., Spiking Neurons in a Hierarchical Self-Organizing Map Model Can Learn to Develop Spatial and Temporal Properties of Entorhinal Grid Cells and Hippocampal Place Cells. PLoS One, 2013. DOI : 10.1371/journal.pone.0060599

[9] Stangl M., et al.The GridCAT: A Toolbox for Automated Analysis of Human Grid Cell Codes in fMRI. Frontiers in Neuroinformatics, 2017. DOI: 10.3389/fninf.2017.00047

[10] Barnard Y., et al., Learning to use new technologies by older adults: Perceived difficulties, experimentation behaviour and usability. Computers in Human Behavior, 2013. DOI : 10.1016/j.chb.2013.02.006.

[11] Kunz L et al., Reduced grid-cell-like representations in adults at genetic risk for Alzheimer’s disease. Science, 2015. DOI : 10.1126/science.aac8128.


Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.