Comment la grande science n'a pas réussi à percer les mystères du cerveau humain

Des efforts importants et coûteux pour cartographier le cerveau ont commencé il y a dix ans, mais ont largement échoué. C'est un bon rappel de la complexité de cet organe.

Par

• Emilie Mullin page d'archives

25 août 2021

Andréa Daquino

En septembre 2011, un groupe de neuroscientifiques et de nanoscientifiques s'est réuni dans un domaine pittoresque de la campagne anglaise pour un symposium destiné à rapprocher leurs deux domaines.

Lors de la réunion, le neurobiologiste de l'Université de Columbia Rafael Yuste et le généticien de Harvard George Church ont fait une proposition pas si modeste : cartographier l'activité de l'ensemble du cerveau humain au niveau des neurones individuels et détailler comment ces cellules forment des circuits. Ces connaissances pourraient être exploitées pour traiter des troubles cérébraux comme la maladie d'Alzheimer, l'autisme, la schizophrénie, la dépression et les lésions cérébrales traumatiques. Et cela aiderait à répondre à l'une des grandes questions de la science : comment le cerveau crée-t-il la conscience ?

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2021

• Voir la suite du problème
• S'abonner

Yuste, Church et leurs collègues ont rédigé une proposition qui sera plus tard publié dans la revue Neurone . Leur ambition était extrême : un effort public international à grande échelle, le Brain Activity Map Project, visant à reconstruire l'enregistrement complet de l'activité neuronale à travers des circuits neuronaux complets. Comme le projet du génome humain une décennie plus tôt, ont-ils écrit, le projet sur le cerveau conduirait à des industries et des entreprises commerciales entièrement nouvelles.

De nouvelles technologies seraient nécessaires pour atteindre cet objectif, et c'est là que les nanoscientifiques sont intervenus. À l'époque, les chercheurs pouvaient enregistrer l'activité de quelques centaines de neurones à la fois, mais avec environ 86 milliards de neurones dans le cerveau humain, cela ressemblait à regarder un téléviseur un pixel à la fois, Yuste a rappelé en 2017. Les chercheurs ont proposé des outils pour mesurer chaque pic de chaque neurone dans le but de comprendre comment le déclenchement de ces neurones produisait des pensées complexes.

Cette proposition audacieuse a intrigué l'administration Obama et jeté les bases d'un programme pluriannuel Initiative de recherche sur le cerveau par l'avancement des neurotechnologies innovantes (BRAIN) , annoncé en avril 2013. Le président Obama l'a qualifié de prochain grand projet américain.

Histoire connexe

Pourquoi le projet de cartographie cérébrale d'Obama est important Obama demande 100 millions de dollars pour développer de nouvelles technologies pour comprendre le cerveau.

Mais ce n'était pas la première aventure cérébrale audacieuse. En fait, quelques années plus tôt, Henry Markram, neuroscientifique au École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse, s'était fixé un objectif encore plus ambitieux : réaliser une simulation informatique d'un cerveau humain vivant. Markram voulait construire un modèle tridimensionnel entièrement numérique à la résolution de la cellule individuelle, retraçant toutes les nombreuses connexions de ces cellules. On peut le faire d'ici 10 ans, s'est-il vanté lors d'un Conférence TED 2009 .

En janvier 2013, quelques mois avant l'annonce du projet américain, l'UE a accordé à Markram 1,3 milliard de dollars pour construire son modèle cérébral. Les projets américains et européens ont suscité des efforts de recherche similaires à grande échelle dans des pays comme le Japon, l'Australie, le Canada, la Chine, la Corée du Sud et Israël. Une nouvelle ère des neurosciences commençait.

Un rêve impossible ?

Une décennie plus tard, le projet américain tire à sa fin et le projet européen est confronté à son échéance pour construire un cerveau numérique. Alors, comment ça s'est passé? Avons-nous commencé à percer les secrets du cerveau humain ? Ou avons-nous passé une décennie et des milliards de dollars à poursuivre une vision qui reste aussi insaisissable que jamais ?

Dès le début, les deux projets ont eu des critiques.

Les scientifiques de l'UE s'inquiétaient des coûts du programme Markram et pensaient qu'il évincerait d'autres recherches en neurosciences. Et même lors de la réunion initiale de 2011 au cours de laquelle Yuste et Church ont présenté leur vision ambitieuse, nombre de leurs collègues ont fait valoir qu'il n'était tout simplement pas possible de cartographier les déclenchements complexes de milliards de neurones humains. D'autres ont dit que c'était faisable mais coûterait trop cher et générerait plus de données que les chercheurs ne sauraient quoi en faire.

Dans un article cinglant paru dans Scientific American en 2013, Partha Mitra, neuroscientifique au Cold Spring Harbor Laboratory, mis en garde contre l'exubérance irrationnelle derrière la carte de l'activité cérébrale et s'est demandé si son objectif global était significatif.

Histoire connexe

Les neuroscientifiques s'opposent au projet européen sur le cerveau humain Les critiques qualifient de prématuré l'accent mis sur les simulations informatiques à grande échelle dans le cadre du projet européen sur le cerveau.

Même s'il était possible d'enregistrer tous les pics de tous les neurones à la fois, a-t-il soutenu, un cerveau n'existe pas isolément : pour connecter correctement les points, vous devez enregistrer simultanément les stimuli externes auxquels le cerveau est exposé. , ainsi que le comportement de l'organisme. Et il a estimé que nous devons comprendre le cerveau à un niveau macroscopique avant d'essayer de décoder ce que signifient les décharges de neurones individuels.

D'autres s'inquiétaient de l'impact de la centralisation du contrôle sur ces domaines. Cornelia Bargmann, neuroscientifique à l'Université Rockefeller, craignait que cela n'évince les recherches menées par des chercheurs individuels. (Bargmann a rapidement été sollicité pour co-diriger le groupe de travail de l'Initiative BRAIN.)

Il n'y a pas une seule théorie convenue sur le fonctionnement du cerveau, et tout le monde dans le domaine n'a pas convenu que la construction d'un cerveau simulé était la meilleure façon de l'étudier.

Alors que l'initiative américaine recherchait la contribution de scientifiques pour guider son orientation, le projet de l'UE était décidément plus descendant, avec Markram à la barre. Mais comme le documente Noah Hutton dans son film de 2020 En Silicium , les grands projets de Markram se sont rapidement dénoués. En tant qu'étudiant de premier cycle en neurosciences, Hutton avait été chargé de lire les articles de Markram et avait été impressionné par sa proposition de simuler le cerveau humain; quand il a commencé à faire des films documentaires, il a décidé de faire la chronique de l'effort. Il s'est vite rendu compte, cependant, que l'entreprise d'un milliard de dollars se caractérisait davantage par des luttes intestines et des objectifs changeants que par une percée scientifique.

En Silicium montre Markram comme un leader charismatique qui devait faire des déclarations audacieuses sur l'avenir des neurosciences pour attirer le financement nécessaire à la réalisation de sa vision particulière. Mais le projet a été troublé dès le départ par un problème majeur : il n'y a pas une seule théorie consensuelle sur le fonctionnement du cerveau, et tout le monde dans le domaine n'a pas convenu que la construction d'un cerveau simulé était la meilleure façon de l'étudier. Il n'a pas fallu longtemps pour que ces différences apparaissent dans le projet de l'UE.

En 2014, des centaines d'experts à travers l'Europe ont écrit une lettre faisant part de leurs préoccupations concernant la surveillance, les mécanismes de financement et la transparence dans le Projet sur le cerveau humain . Les scientifiques ont estimé que l'objectif de Markram était prématuré et trop étroit et exclurait le financement des chercheurs qui cherchaient d'autres moyens d'étudier le cerveau.

Ce qui m'a frappé, c'est que s'il a réussi et qu'il l'a allumé et que le cerveau simulé a fonctionné, qu'avez-vous appris ? Terry Sejnowski, un neuroscientifique informatique au Salk Institute qui a siégé au comité consultatif de l'initiative BRAIN, m'a dit. La simulation est aussi compliquée que le cerveau.

Le conseil d'administration du Human Brain Project a voté en faveur d'un changement d'organisation et de direction au début de 2015, remplaçant un comité exécutif de trois membres dirigé par Markram par un conseil d'administration de 22 membres. Christoph Ebell, un entrepreneur suisse ayant une formation en diplomatie scientifique, a été nommé directeur exécutif. Quand j'ai pris la relève, le projet était à un point critique, dit-il. Les gens se demandaient ouvertement si le projet allait avancer.

Mais quelques années plus tard, il est sorti lui aussi, après un désaccord stratégique avec l'institution d'accueil du projet. Le projet se concentre maintenant sur la fourniture d'une nouvelle infrastructure de recherche informatique pour aider les neuroscientifiques à stocker, traiter et analyser de grandes quantités de données - la collecte de données non systématique a été un problème pour le domaine - et à développer des atlas cérébraux 3D et des logiciels pour créer des simulations.

L'initiative américaine BRAIN, quant à elle, a subi ses propres changements. Au début, en 2014, répondant aux préoccupations des scientifiques et reconnaissant les limites du possible, il a évolué vers quelque chose de plus pragmatique, axé sur développer des technologies pour sonder le cerveau.

Nouveau jour

Ces changements ont finalement commencé à produire des résultats, même s'ils n'étaient pas ceux que les fondateurs de chacun des grands projets sur le cerveau avaient initialement envisagés.

L'année dernière, le Human Brain Project a publié un Carte numérique 3D qui intègre différents aspects de l'organisation du cerveau humain au niveau millimétrique et micrométrique. C'est essentiellement un Google Earth pour le cerveau.

Histoire connexe

Un atlas 3D détaillé d'un cerveau humain Les scientifiques ont imaginé l'anatomie d'un cerveau humain entier avec une résolution sans précédent.

Et plus tôt cette année, Alipasha Vaziri, un neuroscientifique financé par l'Initiative BRAIN, et son équipe de l'Université Rockefeller ont rapporté dans un article préimprimé qu'ils avaient simultanément enregistré l'activité de plus d'un million de neurones dans le cortex de la souris. C'est le plus grand enregistrement d'activité corticale animale jamais réalisé, même s'il est loin d'écouter les 86 milliards de neurones du cerveau humain comme l'espérait la carte d'activité cérébrale originale.

L'effort américain a également montré quelques progrès dans sa tentative de construire de nouveaux outils pour étudier le cerveau. Il a accéléré le développement de l'optogénétique, une approche qui utilise la lumière pour contrôler les neurones, et son financement a conduit à de nouvelles électrodes en silicium haute densité capables d'enregistrer simultanément à partir de centaines de neurones. Et cela a sans doute accéléré le développement du séquençage unicellulaire. En septembre, les chercheurs utilisant ces avancées publieront une classification détaillée des types de cellules dans les cortex moteurs de la souris et de l'homme, la plus grande production unique de l'initiative BRAIN à ce jour.

Bien que ce soient tous des pas en avant importants, ils sont loin des grandes ambitions initiales.

Héritage durable

Nous nous dirigeons maintenant vers la dernière phase de ces projets - l'effort de l'UE se terminera en 2023, tandis que l'initiative américaine devrait être financée jusqu'en 2026. Ce qui se passera au cours des prochaines années déterminera l'impact qu'ils auront sur le domaine des neurosciences.

Quand j'ai demandé à Ebell ce qu'il considérait comme la plus grande réalisation du Human Brain Project, il n'a nommé aucune réalisation scientifique. Au lieu de cela, il a souligné EBRAINS , une plateforme lancée en avril de cette année pour aider les neuroscientifiques à travailler avec des données neurologiques, à effectuer des modélisations et à simuler les fonctions cérébrales. Il offre aux chercheurs un large éventail de données et connecte plusieurs des installations de laboratoire européennes les plus avancées, des centres de calcul intensif, des cliniques et des centres technologiques dans un seul système.

Si vous me demandez 'Êtes-vous satisfait de la façon dont cela s'est passé?' Je dirais oui, a déclaré Ebell. A-t-il conduit aux percées que certains attendaient en termes d'acquisition d'une compréhension complètement nouvelle du cerveau ? Peut-être pas.

Katrin Amunts, neuroscientifique à l'Université de Düsseldorf, qui est directrice de la recherche scientifique du Human Brain Project depuis 2016, affirme que si le rêve de Markram de simuler le cerveau humain n'a pas encore été réalisé, il se rapproche. Nous utiliserons les trois dernières années pour réaliser de telles simulations, dit-elle. Mais ce ne sera pas un grand modèle unique, mais plusieurs approches de simulation seront nécessaires pour comprendre le cerveau dans toute sa complexité.

Pendant ce temps, l'initiative BRAIN a fourni plus de 900 subventions aux chercheurs jusqu'à présent, pour un total d'environ 2 milliards de dollars. Les National Institutes of Health devraient dépenser près de 6 milliards de dollars pour le projet au moment de sa conclusion.

Pour la phase finale de l'initiative BRAIN, les scientifiques tenteront de comprendre le fonctionnement des circuits cérébraux en schématisant les neurones connectés. Mais les revendications sur ce qui peut être réalisé sont beaucoup plus restreintes qu'au début du projet. Les chercheurs réalisent maintenant que la compréhension du cerveau sera une tâche continue - ce n'est pas quelque chose qui peut être finalisé avant la date limite d'un projet, même si ce projet atteint ses objectifs spécifiques.

Avec un tout nouvel outil ou un nouveau microscope fabuleux, vous savez quand vous l'avez. Si vous parlez de comprendre comment une partie du cerveau fonctionne ou comment le cerveau accomplit réellement une tâche, il est beaucoup plus difficile de savoir ce qu'est le succès, explique Eve Marder, neuroscientifique à l'Université Brandeis. Et le succès pour une personne ne serait que le début de l'histoire pour une autre personne.

Yuste et ses collègues avaient raison de dire que de nouveaux outils et techniques seraient nécessaires pour étudier le cerveau de manière plus significative. Maintenant, les scientifiques devront trouver comment les utiliser. Mais au lieu de répondre à la question de la conscience, le développement de ces méthodes n'a fait qu'ouvrir davantage de questions sur le cerveau et montré à quel point il est complexe.

Je dois être honnête, dit Yuste. Nous avions de plus grands espoirs.

Emilie Mullin est un journaliste indépendant basé à Pittsburgh qui se concentre sur la biotechnologie.

cacher