Un modèle de cerveau fonctionnel

Un projet ambitieux visant à créer un modèle informatique précis du cerveau a atteint une étape impressionnante. Des scientifiques suisses travaillant avec des chercheurs d'IBM ont montré que leur simulation informatique de la colonne néocorticale, sans doute la partie la plus complexe du cerveau d'un mammifère, semble se comporter comme son homologue biologique. En démontrant que leur simulation est réaliste, disent les chercheurs, ces résultats suggèrent qu'un cerveau de mammifère entier pourrait être complètement modélisé d'ici trois ans, et un cerveau humain au cours de la prochaine décennie.

Puissance du cerveau : Cette représentation montre la connectivité des 10 000 neurones et des 30 millions de connexions qui composent une seule colonne néocorticale. (Les différentes couleurs correspondent à différents niveaux d'activité électrique.) Après avoir créé un modèle informatique biologiquement précis d'une colonne néocorticale, les scientifiques prévoient maintenant de modéliser l'ensemble du cerveau humain d'ici 10 ans seulement.

Ce que nous faisons, c'est de la rétro-ingénierie du cerveau, dit Henri Markram , codirecteur du Brain Mind Institute de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse, qui a dirigé les travaux, appelés le Cerveau bleu projet, qui a débuté en 2005. (Voir IBM : The Computer Brain.) En imitant le comportement du cerveau jusqu'au neurone individuel, les chercheurs visent à créer un outil de modélisation qui peut être utilisé par les neuroscientifiques pour mener des expériences, tester des hypothèses, et analyser les effets des médicaments plus efficacement qu'ils ne le pourraient en utilisant de vrais tissus cérébraux.

Le modèle d'une partie du cerveau a été achevé l'année dernière, explique Markram. Mais maintenant, après des tests approfondis comparant son comportement aux résultats d'expériences biologiques, il est convaincu que la simulation est suffisamment précise pour que les chercheurs puissent procéder avec le reste du cerveau.

C'est un travail incroyable, dit Thomas Serre , chercheur en neurosciences computationnelles au MIT. Ceci est susceptible d'avoir un impact énorme sur les neurosciences.

Le projet a commencé avec l'objectif initial de modéliser les 10 000 neurones et les 30 millions de connexions synaptiques qui composent la colonne néocorticale d'un rat, le principal élément constitutif du cortex d'un mammifère. La colonne néocorticale a été choisie comme point de départ car elle est largement reconnue comme étant particulièrement complexe, avec une structure hétérogène constituée de nombreux types différents de synapses et de canaux ioniques. Il ne sert à rien de rêver de modéliser le cerveau si vous ne pouvez pas en modéliser une petite partie, explique Markram.

Le modèle lui-même est basé sur 15 ans de données expérimentales sur la morphologie neuronale, l'expression des gènes, les canaux ioniques, la connectivité synaptique et les enregistrements électrophysiologiques des colonnes néocorticales de rats. Des outils logiciels ont ensuite été développés pour traiter ces informations et reconstruire automatiquement des modèles 3D physiologiquement précis de neurones et de leurs interconnexions.

Relier les points: Représentation d'une colonne néocorticale de mammifère, élément de base du cortex. La représentation montre la complexité de cette partie du cerveau, qui a maintenant été modélisée à l'aide d'un supercalculateur.
Crédit : GDP/EPFL

Les circuits neuronaux ont été testés en simulant des stimuli d'entrée spécifiques et en voyant comment les circuits se comportaient par rapport à ceux d'expériences biologiques. Lorsque des lacunes dans les connaissances sont apparues sur la façon dont certaines parties du modèle étaient censées se comporter, les scientifiques sont retournés au laboratoire et ont effectué des expériences pour identifier les types de comportement qui devaient être reproduits. En fait, environ un tiers de l'équipe de 35 chercheurs s'est consacré à la réalisation de telles expériences, explique Markram.

Grâce à un processus de test itératif, la simulation a été progressivement affinée au point où Markram est convaincu qu'elle se comporte comme une véritable colonne néocorticale.

Cependant, aucun de ces résultats n'a jusqu'à présent été publié dans la littérature à comité de lecture, dit Christof Koch , professeur de biologie et d'ingénierie à Caltech. Et ce n'est en aucun cas le premier modèle informatique du cerveau, souligne-t-il. Il s'agit d'un processus évolutif plutôt que révolutionnaire, dit-il. Dès 1989, Koch a créé une simulation de 10 000 neurones, bien que dans un modèle beaucoup plus simple.

De plus, Koch est sceptique quant à la vitesse à laquelle le modèle cérébral peut progresser. Toutes les affirmations selon lesquelles le cerveau humain peut être modélisé en 10 ans sont si ridicules qu'elles ne valent pas la peine d'être discutées, dit-il.

Les cerveaux de rats ont environ 200 millions de neurones, tandis que les cerveaux humains ont environ 50 à 100 milliards de neurones. C'est une grande échelle, admet Markram.

Mais il est convaincu que son modèle est suffisamment robuste pour être étendu indéfiniment. De plus, il pense que le niveau de détail du modèle peut également être poussé plus loin. C'est à une résolution assez élevée, dit-il. C'est encore au niveau cellulaire, mais nous voulons regarder au niveau moléculaire. Cela permettrait d'effectuer des tests de drogue basés sur la simulation en montrant comment des molécules spécifiques affectent les protéines, les récepteurs et les enzymes.

Je ne serais pas surpris s'ils pouvaient le faire, dit Serre. Cependant, on ne sait pas ce qu'ils pourraient en tirer, dit-il. Si vous voulez que ce modèle soit utile, vous devez être capable de comprendre comment le comportement est lié à des fonctions cérébrales spécifiques. Jusqu'à présent, il n'est pas clair que le projet Blue Brain l'ait fait, dit-il.

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