Les modèles informatiques pourraient être la prochaine étape dans le décodage du cerveau

Toute la journée, vos cellules cérébrales envoient et reçoivent des messages par le biais de signaux électriques et chimiques. Ces messages vous aident à faire des choses comme bouger vos muscles et utiliser vos sens – lorsque vous goûtez votre nourriture, sentez la chaleur qui se dégage d’un poêle ou lisez les mots sur cette page.

Si nous pouvions mieux comprendre comment ces messages sont envoyés et reçus, nous obtiendrions de puissantes informations sur la connexion cerveau-corps et mettrions en lumière ce qui se passe lorsque ces connexions ne sont pas travailler — comme pour les maladies du cerveau telles que la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson.

À cette fin, les neuroscientifiques de Cedars-Sinai à Los Angeles ont construit des modèles informatiques de cellules cérébrales individuelles – les modèles les plus complexes à ce jour, disent-ils. En utilisant le calcul haute performance et l’intelligence artificielle, ou IA, les modèles, tels que décrits dans la revue Rapports de cellule capturent la forme, la synchronisation et la vitesse des signaux électriques que les cellules cérébrales appelées neurones déclenchent.

La nouvelle recherche fait partie d’une quête de plusieurs décennies parmi les scientifiques pour comprendre le fonctionnement interne du cerveau, non seulement sur le plan cognitif, mais biologique, génétique et électrique.

Les premiers chercheurs les plus célèbres étaient Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley et John Carew Eccles, qui ont remporté le prix Nobel de médecine en 1963 pour leurs découvertes sur les membranes des cellules nerveuses.

“Aujourd’hui est un moment unique où des ensembles de données détaillés sur un seul neurone sont disponibles en grandes quantités et pour de nombreuses cellules”, déclare l’auteur de l’étude, Costas Anastassiou, PhD, chercheur au Département de neurochirurgie de Cedars-Sinai. “La taille et la vitesse d’aujourd’hui‘s les ordinateurs nous permettent d’explorer [detailed] mécanismes au niveau d’une seule cellule – pour chaque cellule.”

Comment modélisez-vous l’activité des cellules cérébrales à l’aide d’un ordinateur ?

Il s’avère que les impulsions électriques que les neurones utilisent pour communiquer peuvent être reproduites à l’aide d’un code informatique. Les “potentiels d’action” de chaque cellule – ou “pics” d’activité électrique – peuvent être représentés par des zéros et des uns. Le “un” est lorsque la tension de la cellule dépasse le “seuil de pointe” et le “zéro” est lorsqu’elle est inférieure à ce seuil.

“Nous avons reproduit les formes d’onde de tension et les trajectoires temporelles distinctes de ces impulsions à l’aide d’équations mathématiques”, explique Anastassiou. Ensuite, ils ont construit des modèles informatiques en utilisant des ensembles de données provenant d’expériences sur des souris.

Ces expériences mesurent certaines choses dans les cellules, comme leur taille, leur forme et leur structure, ou la façon dont elles réagissent aux changements. Chaque modèle de cellule combine tous ces éléments et peut aider à révéler comment ils se connectent.

“Une grande partie de ce que nous savons sur la composition cellulaire du cerveau provient de l’expression des gènes – des études” omiques “”, explique Anastassiou. “D’autre part, la plupart de ce que nous savons sur la cognition humaine provient de la mesure et de la surveillance de la dynamique de la tension cellulaire dans le cerveau animal vivant et respirant.”

Les modèles informatiques peuvent concilier deux éléments d’information essentiels : la composition cellulaire (éléments constitutifs des cellules cérébrales) et les schémas observés au cours de l’activité cérébrale. Avec l’aide de l’ordinateur, les liens entre les ensembles de données deviennent clairs. Cela pourrait aider à ouvrir la voie de l’association à la causalité, selon les chercheurs – une étape cruciale dans l’examen des troubles.

Que peuvent nous dire les ordinateurs sur le cerveau humain ?

L’une des utilisations potentielles passionnantes des modèles de cellules cérébrales serait de tester toutes sortes de théories sur les troubles cérébraux qui seraient difficiles ou impossibles à créer par des expériences en laboratoire.

Au-delà de cela, le travail peut mener à de nouvelles connaissances sur le cerveau : à quel point les cellules cérébrales sont similaires ou différentes, ce qui les relie ou les rend différentes, et ce que cela signifie à travers un éventail de propriétés.

Les ordinateurs et les mathématiques racontent des histoires sur le cerveau, et Anastassiou dit pour lui que la fascination vient de la simplicité du résultat et de la richesse de leurs impacts.

“J’ai toujours été fasciné par la question de savoir comment les équations mathématiques représentent les cellules vivantes, informatiques et biologiques – en particulier pour le cerveau, l’épicentre de ce qui fait de nous des humains”, dit-il.

Sources:

Costas Anastassiou, PhD, chercheur scientifique, Département de neurochirurgie, Cedars-Sinai, Los Angeles.

Rapports de cellule: “Modèles mononeuronaux reliant l’électrophysiologie, la morphologie et la transcriptomique à travers les types de cellules corticales.”