Introduction:

Human cognition is characterized by its extreme flexibility, such as the ability to integrate already memorized events into new contexts and thus to form abstract thoughts, such as analogies and inferences.

When an animal moves in its environment, the individual hippocampal neurons are active when the animal occupies specific regions or specific situations. Crossing a given environment leads to the sequential activation of a series of these neuronal cells.

During sleep or awake rest, the hippocampal neural circuits replay spatial experiences (the situations with which the brain is confronted) on several levels in the form of action potentials organized in sharp waves and ripples.

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Scientists propose in an article in "pre-print" on BioRxiv, that the variability of the temporal organization of these wavelets, could constitute a selective mechanism of memory associations.

Some context

These cellular activation sequences, which can be observed via an EEG, are similar to sequences which had occurred during activity, but their replay is done on a much faster timescale. This rereading can be done in the same order but also in reverse.

The phenomenon has been mainly observed in the hippocampus, a region of the brain associated with memory and space navigation. The first study to explore this phenomenon was carried out in 1989. It showed that the neuronal activity of cells during sleep resembled activity during the awake state. Subsequent studies have shown that other groups of cells also demonstrate this same type of increased activity during sleep.

There are three main patterns of oscillation in the hippocampus: theta waves, sharp waves and ripples and gamma waves. Gamma oscillations are found in all major brain structures, while theta and sharp waves and ripples are specific to the hippocampus and its neighboring regions. Sharp waves and ripples are composed of large amplitude waves and associated rapid oscillations.

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Altered gamma activity has been observed in many mood and cognitive disorders such as Alzheimer's disease, epilepsy, and schizophrenia.

Sharp waves and ripples and associated wavelets have been observed in the brains of many mammals, mice, rats, rabbits, monkeys and humans. In all these species, it has been shown that these waves are mainly involved in the consolidation of recently acquired memories.

The characteristics of these oscillations provide indications of their role in the consolidation of memory. Certain direct indications concerning their role come from studies on the effects of their removal. Animal studies have thus indicated that the exhaustion of the wavelet by electrical stimulation, hinders the formation of new memories in the rat.

What was studied:

To study these problems, the authors of the article examined the temporal organization of events on an event-to-event basis during locomotion and awake immobility in male Long-Evans rats. They learned to perform a task where they have to use their memory.

The data were obtained from a network of independent mobile tetrodes, targeting the CA1 and CA3 areas of the hippocampus. There are four regions named CA in the hippocampus, after the initials of Cornu Ammonis, an earlier name for the hippocampus. A tetrode is a type of electrode used in neuroscience to analyze extracellular action potentials.

Scientists recount that action potential events of varying frequency could represent similar spatial experiences and, surprisingly, that variability increases rather than decreases as the environment becomes more familiar, perhaps because that the complexity of these is better understood.

The wide time range that is punctuating these wavelets events, is apparent in new environments where sharp waves and ripples are very widespread and is even increased in more familiar environments. On the other hand, no change of this type was present for the action potentials associated with locomotion.

The great variability in the temporal organization of sharp waves and ripples linked to situations rather than movements, suggests that this higher variability serves a function.

Conclusion:

Humans have the ability to remember past experiences with varying degrees of specificity, and it is possible that this degree of specificity corresponds physiologically to different timings in repetition of groups of action potentials.

The analyzes narrated in this article suggest that a similar spatial experience can be replayed in different temporal configurations of groups of action potentials. This variability is increased in more familiar environments.

The authors therefore hypothesize that the variability of the temporal organization of the hippocampus leads to a mechanism for recovering the experiences memorized with various degrees of specificity.

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Introduction:

La cognition humaine se caractérise par son extrême flexibilité, comme la capacité d'intégrer des évènements déjà mémorisés à de nouveaux contextes et ainsi de former des pensées abstraites, telles que des analogies et des inférences.

Lorsqu'un animal se déplace dans son environnement, les neurones hippocampiques individuels sont actifs lorsque l'animal occupe des régions spécifiques ou des situations spécifiques. Une traversée d'un environnement donné entraîne l'activation séquentielle d'une série de ces cellules neuronales.

Pendant le sommeil ou le repos éveillé, les circuits neuronaux hippocampiques rejouent les expériences spatiales (les situations auxquels le cerveau est confronté) à plusieurs niveaux sous la forme de potentiels d'action organisés en ondelettes transitoires.

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Des scientifiques proposent dans un article en "pré-print" sur BioRxiv, que la variabilité de l'organisation temporelle de ces ondelettes, puisse constituer un mécanisme sélectif d'associations mémorielles.

Ces séquences d'activations cellulaires, qui peuvent être observées via un EEG, elles sont similaires à des séquences qui s'étaient produites pendant l'activité, mais leur relecture se fait a une échelle de temps beaucoup plus rapide. Cette relecture peut être effectuée dans le même ordre mais aussi en sens inverse.

Le phénomène a été principalement observé dans l'hippocampe, une région du cerveau associée à la mémoire et à la navigation spatiale. La première étude ayant exploré ce phénomène a été effectué en 1989. Elle a montré que l'activité neuronale des cellules pendant le sommeil ressemblait à l'activité pendant l'état éveillé. Des études ultérieures ont montré que d'autres groupes de cellules démontraient également ce même type d'activité accrue pendant le sommeil.

Il existe trois principaux modèles d'oscillation dans l'hippocampe: les ondes thêta, les ondelettes transitoires et les ondes gamma. Les oscillations gamma se trouvent dans toutes les principales structures cérébrales, tandis que les ondes thêta et transitoires sont spécifiques à l'hippocampe et à ses régions voisines. les ondelettes transitoires sont composées d'ondes de grande amplitude et d'oscillations rapides associées appelées ondelettes.

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Une altération de l'activité gamma a été observée dans de nombreux troubles de l'humeur et cognitifs tels que la maladie d'Alzheimer, l'épilepsie, et la schizophrénie.

Des ondes transitoires et des ondelettes associées ont été observées dans le cerveau de nombreux mammifères, les souris, les rats, les lapins, les singes et les humains. Dans toutes ces espèces, il a été démontré que ces ondes étaient principalement impliquées dans la consolidation des souvenirs récemment acquis.

Les caractéristiques de ces oscillations, fournissent des indications sur leur rôle dans la consolidation de la mémoire. Certaines indications directes concernant leur rôle, proviennent d'études sur les effets de leur suppression. Des études animales ont ainsi indiqué que l'épuisement de l'ondelette par stimulation électrique, entravait la formation de nouveaux souvenirs chez le rat.

L'objet de l'article:

Pour étudier ces problèmes, les auteurs de l'article ont examiné l'organisation temporelle des événements sur une base événement à événement pendant la locomotion et l'immobilité éveillée chez des rats Long-Evans mâles Ceux ci ont appris à effectuer une tâche en se basant sur leur mémoire.

Les données ont été obtenus d'un réseau de tétrodes mobiles indépendentes, ciblant les zones CA1 et CA3 de l'hippocampe. Il y a quatre régions nommées CA dans l'hippocampe, d'après les initiales de Cornu Ammonis, un nom antérieur de l'hippocampe. Une tétrode est un type d'électrode utilisé en neuroscience pour analyser les potentiels d'action extracellulaires.

Les scientifiques expliquent qu'ils ont constatés que des événements neuronaux de périodicité variable pourraient représenter des expériences spatiales similaires et, de façon surprenante, que la variabilité augmentait plutôt qu'elle ne diminuait à mesure que l'environnement devenait plus familier, peut-être parce que la complexité de ceux-ci est mieux appréhendée.

La large gamme temporelle rythmant ces ondelettes était clairement visible dans de nouveaux environnements où les ondelettes transitoires sont très répandues et même augmenté dans des environnements plus familiers. Par contre aucun changement de ce type n'était présent pour les potentiels d'action associé à la locomotion.

La grande variabilité dans l'organisation temporelle des ondelettes transitoires liées à des situations plutôt que des mouvements, suggère que cette variabilité plus élevée sert une fonction.

Conclusion:

Les humains ont la capacité de se souvenir d'expériences passées avec divers degrés de spécificité, et il est possible que ce degré de spécificité corresponde sur le plan physiologique à différents niveaux temporels de répétitions de groupes de potentiels d'action.

Les analyses narrées dans cet article suggèrent qu'une expérience spatiale similaire peut être rejouée dans différentes configurations temporelles de groupes de potentiels d'actions. Cette variabilité est accrue dans des environnements plus familiers.

Les auteurs émettent donc l'hypothèse que la variabilité de l'organisation temporelle de l'hippocampe entraîne un mécanisme de récupération des expériences mémorisées avec divers degrés de spécificité.

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