Les cellules de lieu sont des neurones de l'hippocampe dont le champ récepteur (dit champ de lieu) est défini par une zone spatiale donnée sur une carte cognitive, qui est une carte mentale de l'environnement. Chaque cellule de lieu s'active donc quand l'animal se trouve dans le champ récepteur qui lui est associé. Les scientifiques pensent que les cellules de lieu travaillent collectivement et forment une représentation cognitive d'un emplacement spécifique dans l'espace. Les cellules de lieu interagissent avec d'autres types de neurones dans l'hippocampe et les régions voisines pour réaliser ce type de traitement spatial., mais la façon dont elles fonctionnent au sein de l'hippocampe est toujours l'objet de recherches.. Les cellules de lieu s'activent quand un animal arrive à un endroit déterminé de son environnement.. Des études sur les rats ont montré que les cellules de lieu ont tendance à s’activer rapidement quand un rat entre dans un nouvel environnement ouvert. En dehors des champs de tir, les cellules de lieu ont tendance à être relativement inactives.. Pour une cellule de lieu donnée, il existe un certain nombre de champs de lieu correspondants. Ce nombre est proportionnel à l'étendue de l'environnement.. Contrairement à d'autres zones du cerveau telles que cortex visuel, il n'y a pas topographie apparente dans la configuration des champs de lieu. Deux cellules de lieu voisines ne sont pas plus susceptibles d'avoir des champs de lieu voisins que deux cellules éloignées.. Placées dans un nouvel environnement différent, environ la moitié des cellules de lieu se voit attribuer un nouveau champ de lieu correspondant à un nouvel emplacement sans rapport avec les anciens.. Les modes d'activation des cellules de lieu sont déterminés par l'information sensorielle et l'environnement local. Les cellules de lieu ont la capacité de changer rapidement leur schéma d’activation. Ce phénomène est connu sous le nom « recartographie » et si les cellules de lieu peuvent changer en fonction de l'environnement extérieur, elles sont aussi stabilisées par la dynamique d'attraction qui « [permet] au système d’encaisser de petits changements de l'entrée sensorielle et de répondre collectivement et de manière cohérente aux changements plus importants ».

Bien que les cellules de lieu fassent partie d'un système cortical non sensoriel, leur activité est fortement corrélée aux signaux sensoriels.Ces circuits pourraient avoir des implications importantes pour la mémoire, car elles fournissent le contexte spatial des souvenirs et des expériences passées.. Comme beaucoup d'autres parties du cerveau, les réseaux de cellules de lieu sont dynamiques. Ils se réajustent constamment et reconfigurent leurs connexions en fonction de l'emplacement actuel et de l'expérience du cerveau. Les cellules de lieu ne travaillent pas seules pour créer la représentation spatiale. Elles font partie d'un circuit complexe qui permet d’avoir conscience du lieu présent et des lieux mémorisés. alt=Modes de tir spatial de 8 cellules de lieu enregistrées à partir de la couche CA1 d'un rat. Le rat allait et venait le long d'une voie surélevée, s’arrêtant à chaque extrémité pour manger une petite récompense de nourriture. Les points indiquent les positions où les potentiels d'action ont été enregistrés, les couleurs indiquant quel neurone a émis le potentiel d'action.|vignette|Modes de tir spatial de 8 cellules de lieu enregistrées à partir de la couche CA1 d'un rat. Le rat allait et venait le long d'une voie surélevée, s’arrêtant à chaque extrémité pour manger une petite récompense de nourriture. Les points indiquent les positions où les potentiels d'action ont été enregistrés, les couleurs indiquant quel neurone a émis le potentiel d'action. D'un point de vue expérimental, on identifie souvent ces neurones par des enregistrements électrophysiologiques chez un animal qui parcourt un espace délimité : les cellules de lieu sont caractérisées par le fait que leur activité est maximale lorsque l'animal se trouve à un endroit précis du terrain. Ces cellules de lieu se distinguent d'autres types de neurones dont l'activité peut aussi être modulée par des éléments spatiaux (cellules de grille, cellules de bordures) ou liée à la locomotion (cellules de direction de la tête...). Dans les champs CA1 et CA3 de l'hippocampe, les neurones constituant les cellules de lieu sont supposés être principalement de type pyramidal tandis qu'au sein du gyrus denté il s'agit de neurones granulaires..

Les cellules de lieu ont d'abord été découvertes chez le rat en 1971.. C'est sur la base d'observations empiriques que John O'Keefe et Lynn Nadel en sont venus à formuler l'hypothèse que la fonction primordiale de l'hippocampe était de constituer une carte heuristique de l'environnement dans lequel évolue l'animal.. Par la suite, en 2003, des cellules de lieu ont aussi pu être identifiées chez l'humain en réalisant des enregistrements électrophysiologiques chez des patients implantés avec des électrodes dans l'hippocampe..

Le prix Nobel de physiologie ou médecine 2014 a été décerné à John O'Keefe pour la découverte des cellules de lieu, et à Edvard et May-Britt Moser pour la découverte des cellules de grille...

Contexte Les cellules de lieu ont été découvertes dans le cerveau, et plus particulièrement dans l'hippocampe, par O'Keefe et Dostrovsky en 1971.. Bien que l'hippocampe joue un rôle dans l'apprentissage et la mémoire, l'existence des cellules de lieu à l'intérieur de l'hippocampe démontre le rôle qu’il joue dans l'adaptation spatiale et sa représentation mentale. Des études ont montré que les rats présentant des lésions de l’hippocampe et des cellules de lieu localisées à l’intérieur avaient une activité des cellules de lieu plus élevée et une diminution des capacités à se repérer dans un environnement. Des études chez le rat montrent que les cellules de lieu sont très sensibles aux variations de l’environnement spatial. Par exemple, une étude réalisée par John O'Keefe et Lynn Nadel a permis de constater que les cellules de lieu s’activaient plus rapidement lorsque les rats parcouraient des endroits connus, lorsqu’un nouvel élément avait été ajouté ou lorsqu’un élément avait disparu.

Après qu’O’Keefe et Dostrovsky eurent découvert l'existence de cellules de lieu au sein de l'hippocampe en 1971, ils menèrent une étude de cinq ans avec des rats qui montra que les cellules de lieu s'activaient chaque fois que le rat était dans un lieu défini de l'environnement.. Ce fut l'un des premiers indices suggérant que les cellules de lieu étaient liées à l'orientation spatiale. Ils découvrirent de surcroît que les cellules de lieu s’activaient dans différentes zones de l'hippocampe selon l'endroit où le rat se situait et qu’elles constituaient ensemble un réseau d’activation correspondant à l’environnement du rat (O'Keefe 1976 Wilson & McNaughton 1993). Lorsque les environnements étaient modifiés, les mêmes cellules de lieu associées à l’endroit modifié s'activaient, mais leurs relations et leur dynamique entre les champs de lieu changeaient (O'Keefe et Conway 1978). Cette étude conduit à considérer les cellules de lieu comme un moyen de navigation et de guidage dans l’environnement commun aux humains et aux animaux. Les cellules de lieu sont généralement observées à travers l’enregistrement de leurs potentiels d'action. Lorsque les humains ou les animaux naviguent dans de grands espaces, il y a une augmentation notable de la cadence d'activation des cellules de lieu chaque fois qu’un endroit précis a été atteint (Eichenbaum, Dudchencko bois, Shaprio et Tanila, 1999).

Un important débat a eu lieu quant à savoir si le signal de l'hippocampe des cellules de lieu se basait sur des points de repère dans l'environnement, sur les limites de cet environnement ou sur une combinaison des deux.. De nombreuses études ont également cherché à déterminer si les cellules pyramidales de l'hippocampe (en particulier chez les rats) traitaient une information non spatiale en plus de l'information spatiale. Selon la théorie de la carte cognitive, le rôle principal de l'hippocampe chez le rat est de stocker l'information spatiale grâce aux cellules de lieu. L'hippocampe du rat est pensé être biologiquement conçu pour fournir une information spatiale au rat..

D’autres études ont été menées pour déterminer si l'hippocampe stocke des informations non spatiales. Ces recherches s’appuient sur la constatation que l’hippocampe possède une certaine flexibilité en ce qu'il peut réutiliser la mémoire acquise dans des circonstances et des schémas différents de celles au moment de l’apprentissage. Certains points de vue soutiennent également que l'hippocampe peut fonctionner indépendamment des repères spatiaux temporels. Les résultats de ces études n’ont pas fourni de données concluantes prouvant l’existence d’informations non spatiales dans l’hippocampe. Des essais menés sur des rats en leur faisant effectuer des tâches d'appariement en décalé tendent à invalider la théorie de la flexibilité de l’hippocampe. Cette tâche utilise la flexibilité en ce que le rat est d'abord confronté à une représentation visuelle comme un bloc puis après un délai, il se voit présenter à nouveau le bloc ainsi qu’un nouvel objet. Le rat doit choisir alors le nouvel objet pour obtenir une récompense. Cette expérience fait appel à la mémoire à court terme et son exécution exige une certaine souplesse mentale. Au cours de cette étude, l'activité de l'hippocampe n’augmentait pas significativement et des traumatismes induits dans l'hippocampe ne modifiaient pas les performances du rat.

Les cellules de lieu s’activent en même temps dans différents endroits souvent éloignés l’un de l’autre de l’hippocampe. Certains interprètent cette dispersion comme la marque de fonctions distinctes localisées dans des endroits différents. La représentation qu'un rat a de son environnement est construite par l’activation de groupes de cellules de lieu dispersées dans l'hippocampe. Il n’y a pas de preuves indiquant que chaque emplacement sert un but différent. Lors de l'enregistrement des champs d’activation de groupes de cellules de l'hippocampe dans un environnement ouvert, les champs d'activation se révèlent similaires, même lorsque le rat se déplace dans des directions différentes. On parle d’omnidirectionnalité. Cependant, lorsque des limitations sont placées dans l’environnement mentionné ci-dessus, les champs se révèlent directionnels et les cellules de lieu s’activent dans certaines directions seulement.

La même directionnalité se produit lorsque les rats sont mis dans un labyrinthe à bras radial. Le labyrinthe à bras radial consiste en un certain nombre de couloirs disposés de manière circulaire et reliés au centre du dispositif. Ces couloirs contiennent des aliments ou non. Il a été parfois envisagé que l’activation ou l’absence d’activation des cellules de lieu dans les couloirs pouvait être une fonction du comportement axé sur des objectifs (absence ou présence de nourriture par exemple). Cependant, lors du déplacement d'un bras à l'autre, alors que de la nourriture est présente aux deux emplacements, les cellules de lieu présentent la même directionnalité. Ce qui signifie que l'on ne peut attribuer l’activation à une origine purement non spatiale mais qu’une composante de la direction doit être prise en compte.