S'orienter dans l'espace suppose de disposer d'un sens unique et stable de la direction de la tête. Ce sens repose sur le système des cellules de direction de la tête (cellules HD, pour *head-direction*), un réseau neuronal réparti dans plusieurs structures cérébrales, dont les neurones se déclenchent sélectivement selon l'orientation de la tête de l'animal dans le plan horizontal. Une propriété remarquable de ce système est la coordination temporelle constante entre les cellules HD : leur structure de corrélation se maintient quels que soient le comportement de l'animal, son état de vigilance ou les entrées sensorielles disponibles, ce qui garantit un signal directionnel unique et persistant. Les mécanismes à l'origine de cette organisation temporelle restaient toutefois inconnus, de même que la question de savoir si elle s'auto-organise ou dépend d'entrées extérieures au système HD.
Pour explorer le rôle du cervelet dans cette organisation, les auteurs ont enregistré simultanément l'activité unitaire de cellules HD dans deux structures distinctes, le noyau antérodorsal du thalamus et le cortex rétrosplénial, chez des souris adultes en libre mouvement, à l'aide de tétrodes. Deux modèles murins transgéniques ciblant spécifiquement la plasticité des cellules de Purkinje du cervelet ont été comparés à leurs témoins : l'un déficient pour la dépression à long terme dépendante de la protéine kinase C (PKC, lignée L7-PKCI), l'autre déficient pour la potentialisation dépendante de la protéine phosphatase 2B (PP2B, lignée L7-PP2B). Les enregistrements ont été menés dans des conditions sensorielles contrôlées, notamment en présence ou en absence d'indices visuels externes (conditions de lumière et d'obscurité).
Les résultats révèlent l'existence de deux réseaux HD distincts au sein du cortex rétrosplénial et du thalamus, dont la coordination temporelle vers un signal directionnel unitaire requiert une computation cérébelleuse. Des paires de cellules HD perdent en effet leur coordination temporelle, spécifiquement lors de la suppression des entrées sensorielles externes. Par ailleurs, les deux mécanismes cérébelleux jouent des rôles dissociables : les processus dépendants de la PP2B facilitent l'ancrage du signal HD sur les indices externes, tandis que ceux dépendants de la PKC sont nécessaires à la stabilité du signal à partir des indices de mouvement propre. Ainsi, les souris L7-PKCI présentent des cellules HD instables dans l'obscurité, alors que les souris L7-PP2B montrent une moindre stabilité et un faible contrôle par les indices externes en condition de lumière.
Les auteurs écartent l'hypothèse d'un biais du signal de vitesse angulaire, les propriétés de décharge des cellules codant cette vitesse restant inchangées, et attribuent les altérations observées à un défaut d'intégration multisensorielle dépendante du cervelet. En définitive, ces travaux suggèrent l'existence de plusieurs signaux de direction dans le cerveau de la souris, dont la coordination temporelle et la stabilité spatiale sont orchestrées par le cervelet, qui contribue ainsi à préserver un sens unique et stable de la direction.