Un schéma de câblage du cerveau

Les nouvelles technologies qui permettent aux scientifiques de tracer le câblage fin du cerveau avec plus de précision que jamais auparavant pourraient bientôt générer un schéma de câblage complet – y compris chaque minuscule fibre et connexion minuscule – d'un morceau de cerveau. Surnommées connectomiques, ces cartes pourraient découvrir comment les réseaux neuronaux remplissent leurs fonctions précises dans le cerveau et pourraient faire la lumière sur des troubles que l'on pense provenir d'un câblage défectueux, tels que l'autisme et la schizophrénie.

Analyse des axones : Les scientifiques développent de nouvelles façons d'étudier le réseau enchevêtré de neurones dans le cerveau. Cette image montre une reconstruction partielle de la rétine de lapin. Les projections neuronales, qui relient neurone à neurone, sont étiquetées de différentes couleurs.

Le cerveau est essentiellement un ordinateur qui se connecte pendant le développement et peut se recâbler, dit Seung seung , un neuroscientifique computationnel au MIT. Si nous avons un schéma de câblage du cerveau, cela pourrait nous aider à comprendre comment cela fonctionne. Par exemple, les scientifiques ont précédemment identifié la partie du cerveau de l'oiseau chanteur qui est importante dans la capacité des oiseaux à générer des chansons. Seung aimerait finalement développer un schéma de câblage de cette structure afin d'élucider les caractéristiques qui sous-tendent sa capacité unique.

Il n'existe actuellement qu'un seul schéma électrique d'organisme : celui du ver microscopique C. elegans . Bien qu'il ne contienne que 302 neurones, le C. elegans l'effort de cartographie a duré plus d'une décennie, dans les années 1970. Il a été une ressource de recherche inestimable et a valu à ses créateurs un prix Nobel.

Avec environ 100 milliards de neurones et 100 000 milliards de synapses dans le cerveau humain, la création d'une carte globale de même un petit morceau est une tâche ardue. En utilisant des méthodes standard, il faudrait environ trois milliards d'années-personnes pour générer le schéma de câblage d'une seule colonne corticale, une unité fonctionnelle étroite de neurones dans le cortex, estime Winfried Denk , neuroscientifique à l'Institut Max Planck de recherche médicale à Heidelberg, en Allemagne.

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• Regardez une reconstruction en 3D d'un morceau de rétine de lapin.

Denk, Seung et leurs collaborateurs développent actuellement de nouvelles techniques d'imagerie sensibles et des algorithmes d'apprentissage automatique pour automatiser le processus de construction. Ils ont déjà généré un schéma électrique partiel d'une partie de la rétine du lapin. Mais ils devront rendre leur technique un million de fois plus rapide pour enfin amener des cartes plus grandes, comme celle d'une colonne corticale, dans le domaine de la réalité.

Les efforts précédents pour cartographier le câblage du cerveau se sont concentrés sur des caractéristiques anatomiques plus larges, telles que les faisceaux de câblage épais qui relient différentes parties du cerveau, ou sur les trajets de neurones uniques, colorés d'une couleur particulière pour les distinguer de leur multitude enchevêtrée de voisins. Mais pour vraiment comprendre comment un réseau de neurones peut remplir une fonction particulière, les scientifiques ont besoin d'un nouveau type de carte. De nombreuses propriétés de la fonction cérébrale se trouvent au niveau du circuit – les informations sont intégrées, traitées, extraites, dit Elly Nedivi , un neuroscientifique du MIT qui n'est pas impliqué dans la recherche. Pour comprendre ce que cela signifie, vous devez être capable de voir qui se connecte à qui.

Denk et ses collègues ont développé une nouvelle technique pour créer des cartes de câblage à plus petite échelle en utilisant la microscopie électronique. En commençant par un petit bloc de tissu cérébral, les chercheurs font rebondir des électrons sur le dessus du bloc pour générer une image en coupe transversale des fibres nerveuses de cette tranche. Ils prélèvent ensuite une très fine tranche de 30 nanomètres sur le dessus du bloc et répètent le processus. Les scientifiques parcourent les images tranche par tranche pour tracer le trajet de chaque fibre nerveuse. Répétez ce [processus] des milliers de fois, et vous pourrez peut-être vous frayer un chemin à travers tout le cerveau de la mouche, dit Denk.

Seung et Denk visent à accélérer considérablement le processus de traçage, qui prend une semaine à un étudiant diplômé, avec des algorithmes d'apprentissage automatique automatisés. Les chercheurs utilisent les données d'un schéma de câblage généré manuellement pour former un réseau de neurones artificiels afin d'émuler le processus de traçage humain. Ils peuvent ensuite utiliser l'algorithme résultant pour analyser de nouveaux morceaux de tissu cérébral. À ce jour, ils ont pu accélérer le processus d'environ cent à mille.

Les chercheurs ont présenté leurs premiers résultats à une foule émerveillée lors de la Société des Neurosciences réunion à San Diego au début du mois. Ils ont montré la reconstruction tridimensionnelle d'une partie de la rétine du lapin appelée couche plexiforme interne, qui est un morceau de tissu neural à l'arrière de l'œil qui détecte la lumière et envoie des informations visuelles au cerveau. (Voir un film de la reconstruction ici.) Mais nous devons nous améliorer par 106 ou plus, dit Denk, qui estime que cela réduirait les trois milliards d'années-personnes qu'il faudrait pour tracer une colonne corticale jusqu'à environ deux ans. Je suis confiant au final que nous serons capables de le faire, dit-il. Mais je ne sais pas combien de temps cela nous prendra – si nous avons de la chance, peut-être un an environ.

Plus tôt ce mois-ci, des scientifiques de Harvard ont décrit une nouvelle méthode de traçage des neurones dans le cerveau vivant en les étiquetant avec jusqu'à une centaine de couleurs différentes. (Voir The Technicolor Brain .) Nous commençons à considérer les schémas de câblage comme fondamentaux, dit Jeff Lichtman, l'un des chercheurs qui ont développé la technique.

Les chercheurs disent que les deux approches seront probablement complémentaires, permettant aux scientifiques d'examiner des circuits neuronaux de différentes dimensions. À terme, Seung vise à générer des cartes du connectome complet de la mouche, ainsi que des schémas de câblage partiels d'emplacements intéressants dans des cerveaux plus gros, tels que l'hippocampe, le bulbe olfactif et la rétine.

La quantité exacte de lumière que ces cartes apporteront sur le cerveau est encore quelque peu controversée. Le simple fait de connaître les données [de câblage] ne nous mènera pas loin si nous ne les mettons pas dans le cadre du traitement et du transfert de données dans le cerveau, dit David van Essen , neuroscientifique à l'Université de Washington, à St. Louis, et président de la Society for Neurosciences. Seung et d'autres espèrent éventuellement générer des cartes qui incorporent les propriétés biochimiques et physiologiques de diverses cellules dans les schémas de câblage.

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