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Les informations ci-après se réfèrent à la date de la remise du Prix.
Edvard MOSER est né en 1962 à Ålesund et May-Britt MOSER en 1963 à Fosnavåg, en Norvège. Ils ont étudié l’un et l’autre de nombreuses disciplines, notamment les mathématiques, les statistiques, la programmation, la neurobiologie et la psychologie à l’Université d’Oslo, où ils ont obtenu un doctorat en neurosciences en 1995, suivi d’une formation post-doctorale au Royaume-Uni. De retour en Norvège, ils sont nommés, en 1996, professeurs associés en psychologie biologique à l’Université norvégienne de Science et de Technologie (NTNU) à Trondheim. Ils sont aujourd’hui professeurs de neurosciences à la Faculté de médecine de cette université. En 2002, ils ont fondé dans cette même université le Centre pour la Biologie de la Mémoire et, en 2007, le Kavli Institute for Systems Neuroscience dont ils sont respectivement le directeur et la co-directrice.
Edvard et May-Britt MOSER sont tous deux membres des Académies norvégiennes des sciences et des sciences technologiques, ainsi que de diverses sociétés savantes. Ils ont reçu plusieurs distinctions, notamment le W. Alden Spencer Award de l’Université Columbia, en 2005, le Prix Liliane Bettencourt pour les sciences du vivant, en 2006, et le Eric K. Fernström’s Great Nordic Prize, en 2008.
Le cerveau des rats – et probablement le nôtre aussi – dispose d’une sorte de « GPS biologique » qui permet aux individus de s’orienter dans l’espace, de trouver leur chemin lorsqu’ils doivent aller d’un point à un autre et d’acquérir une mémoire spatiale. Les différentes familles de neurones qui participent à cette tâche sont situées dans deux régions cérébrales, l’hippocampe et le cortex entorhinal.
C’est dans ce cortex – qui traite les informations avant de les transmettre à l’hippocampe – qu’Edvard et May-Britt MOSER ont découvert, en 2005, l’existence de neurones particuliers qu’ils ont nommés les « cellules de grille ». Ces cellules s’activent sélectivement en plusieurs points de l’environnement parcouru par l’animal. Les points d’activation de chaque cellule définissent un réseau périodique de triangles qui pave tout l’espace visité par le sujet, à l’image des points d’intersection d’un papier quadrillé, à cela près que ce sont des triangles équilatéraux qui constituent les unités de la grille. Le cerveau fabrique ainsi ses propres cartes.
Le cortex entorhinal se révèle ainsi être un carrefour du réseau neuronal qui nous permet de trouver notre chemin.
Après les cellules de grille, les neurobiologistes norvégiens ont identifié, dans cette zone du cerveau, d’autres types de neurones intervenant dans la navigation. Ils ont notamment trouvé des cellules qui répondent sélectivement à la direction que prend l’animal, ainsi que d’autres qui lui signalent qu’il est arrivé à proximité des limites de l’espace dans lequel il évolue. Ils ont aussi expliqué comment les signaux issus de ces différentes cellules étaient utilisés par les circuits de la mémoire spatiale situés dans l’hippocampe.
Les découvertes d’Edvard et de May-Britt MOSER – et en particulier celle des « cellules de grille » que la revue Science a qualifié de découverte la plus importante dans ce domaine depuis deux décennies – sont remarquables. Elles ont permis de comprendre comment le cerveau calcule la position de l’organisme dans l’espace et ont conduit à une complète révision des idées communément admises auparavant dans ce domaine.
Comment le cerveau des organismes vivants, et notamment des mammifères, fait-il pour que les individus puissent se localiser dans l’espace, trouver le chemin menant d’un point à un autre et stocker dans leur mémoire ces informations spatiales? Cette question est, depuis plus de dix ans, au centre des préoccupations de May-Britt et Edvard Moser, et elle les a conduits à faire de remarquables découvertes.
Au début des années 1970, John O’Keefe et John Dostrovsky, au University College de Londres, avaient ouvert la voie. Ils avaient observé que lorsqu’un rat se déplaçait librement, certaines cellules de son hippocampe (petite structure située dans le lobe temporal médial du cerveau) présentaient des bouffées soudaines de décharges électriques quand le rongeur se trouvait à certains emplacements de son environnement. Ils ont aussi constaté que cette activation neuronale ne dépendait ni de l’orientation, ni de la trajectoire de l’animal, mais seulement du lieu où il se situait. C’est pourquoi ces neurones ont été nommés «cellules de lieu».
En 1985, le groupe de Jim Ranck à l’Université de New-York a mis au jour une autre population de neurones, complémentaire aux cellules de lieu: les «cellules d’orientation de la tête». Ces dernières ne sont actives que lorsque la tête du rat est orientée dans une direction spécifique, indépendamment de la position de l’animal dans l’espace.
Les recherches de May-Britt et Edvard Moser ont jeté un nouvel éclairage sur la manière dont le cerveau calcule la position de l’organisme dans l’espace. Les chercheurs norvégiens ont montré qu’une autre zone cérébrale située à côté de l’hippocampe – le cortex entorhinal médian – joue un rôle important dans la représentation spatiale. Cette structure cérébrale (qui traite les informations avant de les transmettre à l’hippocampe) renferme une carte topographique en deux dimensions qui permet à l’animal de trouver son chemin lorsqu’il va d’un endroit à un autre.
En 2005, les deux neurobiologistes et leurs collaborateurs ont découvert que l’un des éléments-clés de cette carte était constitué de neurones particuliers qui donnent à l’animal des informations sur la distance qu’il a parcourue et sur sa direction. Ils les ont appelés les «cellules de grille».
Ce nom n’a pas été choisi au hasard. Ces cellules ont en effet la particularité de lancer des décharges sélectivement à différents endroits régulièrement répartis dans l’environnement. Chacune d’elle s’active uniquement lorsque l’animal se trouve en des points qui, une fois reliés les uns aux autres, définissent des triangles équilatéraux, lesquels pavent l’ensemble de l’espace parcouru. Ces motifs triangulaires, accolés les uns aux autres, forment ainsi une véritable grille.
Ces cellules de grille sont disposées de façon géométrique très régulière. Les grilles de deux cellules voisines ont ainsi des espacements et des orientations similaires; en outre, leur espacement augmente progressivement lorsque l’on va de la partie supérieure à la partie inférieure du cortex entorhinal.
D’abord observées chez le rat, puis chez la souris et la chauve-souris, ces cellules de grille existent aussi probablement chez tous les mammifères, y compris chez les humains, bien que cela n’ait été prouvé que de manière indirecte. Quoi qu’il en soit, leur découverte a été qualifiée, en 2007, par la revue Science de découverte la plus importante dans ce domaine depuis plus de deux décennies.
Plus récemment, en 2008, May-Britt et Edvard Moser ont complété ce catalogue des neurones intervenant dans la représentation spatiale en découvrant les «cellules de frontière». Ces cellules – situées elles aussi dans le cortex entorhinal où elles sont mêlées aux cellules de grille et aux cellules d’orientation de la tête – s’activent lorsque l’animal a atteint les limites de sa cage.
Les cellules de grille, les cellules d’orientation de la tête et les cellules de frontière forment des réseaux de neurones qui contribuent, chacun à leur niveau, à la représentation qu’un animal en mouvement se fait de sa localisation. La carte du cortex entorhinal des mammifères renferme des composants qui sont innés, comme le reflète la présence, à l’état rudimentaire, de tous ces types de cellules lorsque le rat explore le monde extérieur pour la première fois de sa vie.
Mais le rôle de ces neurones spatiaux ne s’arrête pas là. Comme les neurobiologistes norvégiens l’ont constaté, les signaux électriques émis par ces cellules du cortex entorhinal sont transmis à l’hippocampe, où ils sont utilisés par les circuits intervenant dans la mémoire spatiale. Ils ont montré que dans cette petite structure cérébrale qu’est l’hippocampe, les mémoires épisodiques, générées par les signaux provenant du cortex entorhinal, sont séparées les unes des autres lors de leur stockage, afin d’éviter des interférences entre les différentes mémoires. Ils ont aussi révélé que le réseau de la mémoire de l’hippocampe traite en parallèle la mémoire et l’information spatiale externe et que les rythmes cérébraux contribuent au routage différentiel de ces différentes données.
Ces contributions ont attiré l’attention de la communauté des neurobiologistes, tout particulièrement la mise au jour des cellules de grille. La structure en forme de cristal qui apparait lorsque ces neurones s’activent est en effet unique: elle n’émane pas du système nerveux périphérique, comme c’est le cas dans les systèmes sensoriels, mais elle est créée par le système nerveux central, c’est-à-dire par le cerveau lui-même.
La découverte de ces cellules de grille et de leur impact sur les neurones de l’hippocampe a finalement conduit à une révision complète des idées admises jusqu’ici concernant la manière dont le cerveau calcule la position et la carte spatiale d’un organisme. Grâce à May-Britt et Edvard Moser, la représentation de l’espace est probablement ainsi devenue la première fonction psychologique dont le mécanisme a été décrypté dans le cortex des mammifères.
Fig. Les cellules de grille dans la cartographie spatiale cérébrale
La figure montre la trajectoire d’un rat en train de courir (en noir) avec, en surimpression, les localisations des signaux électriques (en bleu). Chaque point bleu correspond à un signal d’activation envoyé par la cellule. Le rat court dans une cage de 1.5 m de large.
Norwegian University of Science and Technology (NTNU)
Kavli Institute for Systems Neuroscience
Centre for the Biology of Memory (CBM)
Professor Edvard Moser, Director
Professor May-Britt Moser, Co-Director
Medical-Technical Research Centre
7491 Trondheim, Norway
Tél. : +47 73 59 82 78 (Edvard Moser)
Tél. : +47 73 59 82 77 (May-Britt Moser)