La carte de l'activité cérébrale

Un effort proposé pour cartographier l'activité cérébrale à grande échelle, qui devrait être annoncé par la Maison Blanche plus tard ce mois-ci, pourrait aider les neuroscientifiques à comprendre les origines de la cognition, de la perception et d'autres phénomènes. Ces activités cérébrales n'ont pas été bien comprises à ce jour, en partie parce qu'elles résultent de l'interaction de grands ensembles de neurones dont les scientifiques ne peuvent actuellement pas suivre les efforts coordonnés.

Liens actifs : Une molécule fluorescente dans les neurones d'un cerveau de souris brille lorsque les cellules du cerveau se déclenchent.

Il existe toutes sortes d'outils remarquables pour étudier le monde microscopique des cellules individuelles, explique John Donoghue, neuroscientifique à Brown et participant au projet. Et sur le plan macroscopique, nous avons des outils comme l'IRM et l'EEG qui nous renseignent sur le fonctionnement du cerveau et sa structure, mais à une faible résolution. Il y a un écart au milieu. Nous devons enregistrer de très nombreux neurones exactement comme ils fonctionnent avec une précision temporelle et dans de grandes zones, dit-il.

Un article publié jeudi dans La science online étend les objectifs déjà ambitieux du projet au-delà du simple enregistrement simultané de l'activité de tous les neurones individuels dans un circuit cérébral. Les chercheurs devraient également trouver des moyens de manipuler les neurones au sein de ces circuits et de comprendre le fonctionnement des circuits grâce à de nouvelles méthodes d'analyse et de modélisation des données, écrivent les auteurs.

Selon les participants au projet, comprendre comment les neurones communiquent entre eux dans de grandes régions du cerveau sera essentiel pour comprendre le fonctionnement du cerveau. D'autres efforts pour cartographier les connexions physiques dans le cerveau sont déjà en cours (voir TR10 : Connectomics and Mapping the Brain on a Massive Scale ), mais ces projets examinent les cerveaux statiques ou ne peuvent avoir qu'une vue approximative de la façon dont les régions du cerveau communiquer. Le nouveau projet commencera probablement à appliquer ses technologies nouvelles et pourtant inconnues sur des cerveaux plus simples, tels que ceux des mouches, et prendra probablement des décennies pour atteindre ses objectifs.

De nombreux leaders des domaines des neurosciences, des nanotechnologies et de la biologie synthétique devraient collaborer à cet effort. Nous avons besoin de quelque chose à grande échelle pour essayer de construire des outils pour l'avenir, dit Rafael Yuste , neurobiologiste à l'Université Columbia et membre du projet. Nous nous considérons comme des constructeurs d'outils. Je pense que nous pourrions fournir à la communauté scientifique les méthodes qui pourraient être utilisées pour la prochaine étape des neurosciences.

En plus d'approfondir la compréhension fondamentale du cerveau, le projet pourrait également conduire à de nouveaux traitements pour les troubles psychiatriques et neurologiques. Si nous comprenons vraiment comment des choses comme les pensées, la cognition et d'autres caractéristiques du cerveau émergent, alors nous devrions avoir une meilleure compréhension des troubles de l'humeur, de la maladie de Parkinson, de l'épilepsie et d'autres affections qui découleraient de problèmes de circuits à l'échelle du cerveau, déclare Donoghue. .

Les détails sur les idées technologiques qui recevront le feu vert et sur le montant d'argent qui soutiendra leur développement devraient être révélés dans l'annonce de la Maison Blanche qui reste à venir. Le projet sera probablement soutenu par les National Institutes of Health, la National Science Foundation, la Defense Advanced Research Projects Agency, le Office of Science and Technology Policy et des fondations privées, selon les participants. On ne sait pas encore combien d'argent sera nécessaire ou quelles technologies seront prioritaires.

Quelles que soient les technologies particulières qui émergent, la nanotechnologie est susceptible d'être impliquée, en partie à cause du besoin de capteurs plus petits et plus rapides pour enregistrer l'activité neuronale dans le cerveau. Les capteurs existants peuvent enregistrer l'activité électrique des neurones, mais ces puces peuvent généralement surveiller moins de 100 neurones à la fois et ne peuvent pas enregistrer l'activité des neurones voisins, ce qui serait nécessaire pour comprendre comment les neurones interagissent les uns avec les autres. Paul Weiss , directeur du California NanoSystems Institute de l'Université de Californie à Los Angeles, participant au projet, affirme que les techniques de nanofabrication pourraient résoudre ce problème, avec des puces plus petites portant des sondes électriques et même chimiques plus petites. Nous avons investi plus d'une décennie dans la science et la technologie pour développer la capacité… de contrôler comment ce que nous fabriquons interagit avec les mondes chimique, physique et biologique, dit-il.

De nouvelles techniques optiques pourraient également aider le projet de cartographie. Actuellement, de nombreux groupes de recherche utilisent des colorants fluorescents sensibles au calcium pour étudier le déclenchement des neurones, mais Yuste souhaite développer une technique optique qui utilise des colorants fluorescents sensibles à la tension pour une lecture plus rapide. Les neurones communiquent en utilisant la tension, dit-il. Nous souhaitons développer l'imagerie en voltage afin de pouvoir mesurer directement l'activité neuronale.

Bien que de nombreuses choses concernant le projet soient incertaines, une chose est claire : il y aura beaucoup de données à stocker, partager et analyser. Nous venons juste de commencer à gratter la surface de la façon dont vous traitez les données dans des espaces de grande dimension, explique Terry Sejnowski, neuroscientifique computationnel au Salk Institute. Si vous parlez d'un million de neurones, personne ne peut même imaginer à quoi cela ressemble – c'est bien au-delà de ce que nous pouvons percevoir en trois dimensions.

le La science article esquisse également une ligne de temps approximative. D'ici cinq ans, il devrait être possible de surveiller des dizaines de milliers de neurones ; dans 15 ans, un million de neurones devraient être possibles. Le cerveau d'une mouche compte environ 100 000 neurones, une souris environ 75 millions et un humain environ 85 milliards. Avec un million de neurones, les scientifiques pourront évaluer la fonction de l'ensemble du cerveau du poisson zèbre ou de plusieurs zones du cortex cérébral de la souris, écrivent les auteurs.

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