Google a cartographié un échantillon de cerveau humain comme jamais auparavant

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Un neurone entouré de ses 4000 fibres nerveuses connectées. | Google/Lichtman Laboratory

Dans une avancée majeure dans le domaine de la cartographie cérébrale (appelée connectomique), une équipe de recherche de l’université Harvard, aux côtés de Google, a réalisé la carte la plus détaillée à ce jour des connexions cérébrales en se basant sur un échantillon de cerveau humain. Le modèle obtenu 3D révèle de nombreux détails allant des schémas de connexions neuronales à la distribution de la myéline, en passant par les vaisseaux sanguins. La cartographie a également permis de révéler ce qui pourrait être un type de neurone jusqu’ici inconnu.

L’ensemble de données nécessaires à la nouvelle carte 3D est si vaste que les chercheurs ne l’ont pas encore étudié en détail, explique Viren Jain, de Google Research à Mountain View, en Californie. Il la compare au génome humain, qui est toujours en cours d’exploration 20 ans après la publication des premières ébauches. La carte, comprenant 50 000 cellules au total, est cependant déjà disponible en ligne, gratuitement.

Les 50 000 cellules visibles sont reliées entre elles par des centaines de millions de « vrilles arachnéennes », formant 130 millions de connexions appelées synapses. L’ensemble de données fait au total 1,4 pétaoctet, soit environ 700 fois la capacité de stockage d’un ordinateur moderne moyen.

1,4 pétaoctet pour un millimètre cube de tissu

« C’est la première fois que nous voyons la structure réelle d’une partie aussi importante du cerveau humain », déclare Catherine Dulac de l’université Harvard, qui n’a pas participé aux travaux. Cette entreprise colossale a débuté lorsqu’une équipe dirigée par Jeff Lichtman, également de l’université Harvard, a obtenu un minuscule morceau de cerveau d’une femme de 45 ans souffrant d’épilepsie résistante aux médicaments. Elle avait subi une intervention chirurgicale visant à retirer l’hippocampe gauche, source de ses crises, de son cerveau. Pour ce faire, les chirurgiens ont dû retirer une partie du tissu cérébral sain qui recouvrait l’hippocampe.

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Lichtman et son équipe ont immédiatement immergé l’échantillon dans des conservateurs, puis l’ont coloré avec des métaux lourds (dont de l’osmium), de sorte que les membranes externes de chaque cellule soient visibles au microscope électronique. Ils l’ont ensuite noyé dans de la résine pour le rendre plus résistant. Enfin, ils l’ont découpé en tranches d’environ 30 nanomètres d’épaisseur, soit environ un millième de la largeur d’un cheveu humain, et ont utilisé un microscope électronique pour obtenir des images de chaque tranche.

L’apprentissage automatique pour reconstruire les dendrites des neurones

L’équipe de Jain chez Google a alors pris le relais en assemblant les tranches bidimensionnelles pour former un volume tridimensionnel. Ils ont utilisé l’apprentissage automatique pour reconstruire les dendrites reliant les neurones entre eux et ont étiqueté les différents types de cellules. L’ensemble ne représente qu’une infime partie du cerveau.

Selon Jain, la meilleure façon d’en comprendre l’ampleur est de penser à un scanner d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), utilisé pour visualiser l’activité de différentes régions du cerveau. « L’ensemble des données que nous avons produites représente un millimètre cube, ce qui correspond généralement à un pixel dans une IRM », explique-t-il. « Il est intéressant de découvrir tout ce qui se cache sous le capot d’un pixel d’une IRM ».

Pour Dulac, cet ensemble de données est « une mine d’or pour les années à venir ». Jain et son équipe ont déjà fait de nouvelles découvertes sur la façon dont notre cerveau est câblé : par exemple, il y avait une différence frappante dans le nombre de connexions entre les neurones. Normalement, lorsqu’un dendrite d’un neurone passe à proximité d’un autre, il forme une seule synapse, ou plus rarement deux à quatre. Mais certains dendrites forment jusqu’à 20 synapses sur un neurone cible, ce qui signifie qu’à lui seul, ce dendrite serait probablement capable de déclencher un neurone.

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Distribution des cellules, des vaisseaux sanguins et de la myéline dans l’échantillon cartographié par l’équipe de recherche. © Google/Lichtman Laboratory

Selon Lichtman, les connexions multisynapses sont à la base des comportements acquis. « Il y a beaucoup de choses que votre cerveau fait par cognition, en réfléchissant et en prenant une décision, et il y a beaucoup de choses que vous faites automatiquement et qui n’auraient pas pu être transmises génétiquement », explique-t-il, comme freiner quand vous voyez un feu rouge. Ces connexions ultra-efficaces permettraient à un message de passer rapidement dans le réseau, suite à un apprentissage et un entraînement préalable par exemple.

Découverte de mystérieuses paires de neurones

L’équipe a également découvert de mystérieuses paires de neurones dans les profondeurs du cortex, qui n’avaient pas été observées jusqu’ici. « Les deux cellules pointaient dans une direction exactement opposée sur le même axe », explique Lichtman. Jusqu’ici, les raisons sont inconnues.

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La connectomique a parcouru un long chemin depuis sa première percée dans les années 1980, lorsque des chercheurs ont cartographié les 302 neurones du système nerveux d’un ver appelé Caenorhabditis elegans. Jain, Dulac et Lichtman faisaient partie d’un groupe qui, en 2020, a plaidé en faveur de la cartographie d’un cerveau entier de souris à un niveau de détail similaire. « Un cerveau entier de souris n’est que 1000 fois plus gros que cela, un exaoctet au lieu d’un pétaoctet », explique Lichtman. « C’est à une échelle où nous serons probablement en mesure de le faire dans une décennie, je le soupçonne ». Dulac veut voir comment le cortex est relié aux autres parties du cerveau, et la cartographie du cerveau d’une souris permettrait de le révéler.

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Pour cartographier l’intégralité d’un cerveau humain, il faudrait un ensemble de données 1000 fois plus important, soit un zettaoctet, ce qui, selon Lichtman, est « comparable à la quantité de contenu numérique généré en un an par la planète Terre ». Mais cela n’en vaut peut-être pas la peine selon les chercheurs…

« Nous pourrions découvrir qu’il s’agit en grande partie d’informations de codage acquises par l’expérience et que, par conséquent, chaque cerveau sera différent de tous les autres », explique-t-il. Sans comprendre comment l’information est stockée, les données ne seraient que du charabia, dit-il. Selon Dulac, un avantage plus immédiat serait d’étudier comment la carte cellulaire diffère chez les personnes souffrant de troubles mentaux. Des études similaires pourraient être réalisées chez des patients souffrant également de maladies mentales, afin de mieux comprendre comment se manifestent des maladies fascinantes comme la schizophrénie.

Source : bioRxiv

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