Pourquoi le projet de cartographie du cerveau d'Obama est important

La semaine dernière, le président Obama a officiellement annoncé un financement de 100 millions de dollars pour sans doute l'initiative de neurosciences la plus ambitieuse jamais proposée.

le Recherche sur le cerveau grâce à l'avancement des neurotechnologies innovantes , ou BRAIN, comme le projet s'appelle maintenant, vise à reconstruire l'activité de chaque neurone lorsqu'ils se déclenchent simultanément dans différents circuits cérébraux, voire dans des cerveaux entiers.

Le prochain grand projet américain, comme l'appelait Obama, pourrait aider les neuroscientifiques à comprendre les origines de la cognition, de la perception et d'autres activités cérébrales énigmatiques, ce qui pourrait conduire à de nouveaux traitements plus efficaces pour des maladies comme l'autisme ou les troubles de l'humeur et pourrait aider les vétérans souffrant de lésions cérébrales.

La science du grand cerveau est également dans l'esprit des Européens ; l'Union européenne a récemment annoncé une proposition de près de 1,2 milliard d'euros sur 10 ans pour simuler informatiquement le cerveau humain du niveau des molécules et des neurones jusqu'aux circuits neuronaux.

Divers outils, issus de la génétique et de la biologie moléculaire, ont aidé les chercheurs à comprendre comment les neurones se comportent en tant qu'individus. Mais les neuroscientifiques ne sont désormais capables d'étudier que l'activité d'une poignée de ces cellules cérébrales à la fois à l'aide de sondes à électrodes sensibles à la tension.

D'autres efforts pour cartographier les connexions physiques dans le cerveau sont déjà en cours, mais ces projets examinent les cerveaux morts ou ne fournissent qu'une vue approximative et à faible résolution de la façon dont les régions du cerveau communiquent. Par exemple, le Institut Allen pour la science du cerveau a développé plusieurs soi-disant Atlas du cerveau qui cartographient les connexions physiques entre les neurones dans le cerveau de différentes espèces ainsi que les modèles de génétique unique dans chaque neurone. Bien que ces cartes statiques soient idéales pour en savoir plus sur l'architecture du cerveau, elles ne fournissent pas d'informations sur la façon dont l'activité neuronale conduit au fonctionnement du cerveau.

Il est possible d'obtenir une vue approximative de l'activité de l'ensemble du circuit neuronal à l'aide d'outils tels que l'IRM et l'EEG, mais uniquement à une faible résolution. Et le comportement du cerveau entre ces deux échelles – comment des milliers ou des millions de neurones interagissent pour contrôler le comportement de circuits discrets dans le cerveau – a été inaccessible. Les scientifiques ne comprennent pas encore comment les interactions complexes entre de nombreux neurones donnent naissance à la fonction des circuits neuronaux.

L'initiative BRAIN propose de développer de nouvelles technologies capables d'enregistrer l'activité de milliers, voire de millions ou de milliards de neurones simultanément à des échelles de temps correspondant au comportement et aux activités mentales. L'initiative s'attaquera probablement à des circuits cérébraux discrets au sein de différentes espèces d'animaux pour comprendre comment les neurones fonctionnent ensemble pour donner lieu à des comportements, des humeurs et d'autres phénomènes mentaux.

Le développement de nouvelles technologies sera nécessaire pour atteindre les objectifs de BRAIN, et ceux-ci tireront probablement parti des récents progrès de la nanotechnologie. Les capteurs existants peuvent enregistrer l'activité électrique des neurones, mais peuvent généralement surveiller moins de 100 neurones à la fois.

Les techniques émergentes de micro- et nanofabrication pourraient être utilisées pour créer des puces plus petites portant des sondes électriques et même chimiques plus petites qui seraient moins invasives. Des nanosondes portant plusieurs dizaines d'électrodes, par exemple, pourraient être empilées pour sonder des centaines de milliers de sites d'enregistrement et transmettre des données sans fil.

Alternativement, les nanoparticules transportant des molécules qui les amènent à des types de cellules spécifiques pourraient se loger dans les membranes cellulaires, de sorte que le placement chirurgical ne serait pas nécessaire. Les nanoparticules pourraient également transporter des molécules capables de détecter une activité électrique, une pression ou même certains produits chimiques révélant l'activité cérébrale.

De nouvelles techniques optiques pourraient également aider le projet de cartographie. Lorsqu'un neurone se déclenche, la quantité de calcium à l'intérieur des cellules augmente, c'est pourquoi de nombreux groupes de recherche utilisent des colorants fluorescents sensibles au calcium pour étudier l'activité des neurones. Mais cette mesure est une fois retirée de l'activité électrique réelle du neurone. Une molécule fluorescente sensible à la tension ou un autre agent d'imagerie pourrait fournir une vue plus précise de l'activité.

La biologie synthétique pourrait être un autre outil utile. Les enzymes qui construisent des brins d'ADN sont sensibles à la concentration d'ions et introduiront plus d'erreurs dans leur production d'ADN en présence de calcium. En tant que telles, ces enzymes pourraient être utilisées comme capteurs pour l'activité des neurones. Une séquence d'ADN prédéterminée pourrait être implantée dans les neurones et, au fur et à mesure qu'elle serait copiée, le brin d'ADN résultant fournirait un enregistrement des modèles d'erreurs correspondant aux modèles d'activité des neurones. Des brins détectés par erreur provenant de différents neurones pourraient ensuite être séquencés.

Les chercheurs ont esquissé une feuille de route approximative pour le projet dans un proposition 2012 . L'initiative commencera très probablement par le développement de méthodes améliorées d'imagerie calcique pour enregistrer le déclenchement des neurones, suivi d'une imagerie par tension de l'activité des neurones. Étant donné que ces deux méthodes n'examineraient que les structures de surface (parce que la lumière ne peut pas voyager loin dans les tissus cérébraux), la troisième étape pourrait être le développement de grands réseaux de nanosondes.

Au cours des cinq premières années, l'initiative peut commencer par de petits circuits, comme l'ensemble du système nerveux du nématode C. elegans (qui ne compte que 302 neurones et 7 000 connexions) et des circuits discrets du cerveau de la mouche des fruits. Les circuits individuels du système nerveux d'une souris, tels que celui de la rétine ou du centre olfactif, pourraient être traités d'ici 10 ans, et d'ici 15 ans, les scientifiques pourraient être en mesure de reconstituer l'activité neuronale de l'ensemble du néocortex d'une souris.

Même sans explorer directement le cerveau humain, les connaissances qui en résultent pourraient avoir un impact profond sur les neurosciences et la médecine, c'est-à-dire si tout dans ce prochain grand projet américain se déroule comme prévu.

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