Un millimètre cube est, de toute évidence, minuscule. C’est à peine perceptible – une tache, une tache ou une miette. Mais en y regardant d’assez près, vous découvrirez tout un monde à l’intérieur d’une particule de matière. Une équipe de neuroscientifiques et d’ingénieurs, aidée par des outils d’apprentissage automatique, a cartographié un volume millimétrique du cerveau humain à une résolution nanométrique, traçant chaque neurone, synapse, vaisseau sanguin et cellule de soutien dans le fragment et reconstruisant un modèle 3D du tissu. . Bien qu’elle ne représente qu’un millionième du volume total du cerveau, il s’agit de la carte la plus détaillée d’un morceau de matière cérébrale humaine jamais créée. Cela pourrait déclencher une vague de découvertes scientifiques sur les troubles neurologiques, la structure du cerveau et les origines de notre comportement.
« D’un certain point de vue, notre ensemble de données est minuscule » Jeff Licthmanco-chercheur principal et neuroscientifique et professeur de biologie moléculaire et cellulaire à l’Université Harvard, raconte PopSci. «Mais cela ne semble pas petit parce que lorsque vous y entrez, vous voyez que c’est comme une forêt gigantesque. C’est une toute petite forêt, mais c’est une forêt très, très, très complexe », ajoute-t-il.
Toute cette complexité est exposée dans une étude documentant la construction de cette carte cérébrale complète ou « connectome ». publié le 9 mai dans la revue Science. Le premier connectome était celui d’un cerveau de nématode, achevé en 1986. Depuis lors, les neuroscientifiques ont continué à étudier des cerveaux de plus en plus gros et complexes, notamment ceux des mouches des fruits, des asticots, des têtards et des vers de terre. Pourtant, les cerveaux humains posent un défi de cartographie unique en raison de leur complexité et de leur inaccessibilité. Le nouveau connectome humain partiel est disponible en ligne pour que quiconque puisse l’explorer.
“Non seulement il s’agit d’une prouesse technologique impressionnante, mais c’est aussi un outil et une ressource qui visent réellement à partager avec le monde et à diffuser toutes ces informations scientifiques”, Tim Moscaun neuroscientifique de l’Université Thomas Jefferson qui n’était pas impliqué dans le nouveau travail, raconte PopSci. “Ce groupe a fait un travail incroyable en concevant tous les nouveaux outils et les pipelines pour mettre cela à la disposition de tous ceux qui veulent l’examiner, y réfléchir, vouloir l’utiliser dans leurs recherches.”
Servir une pizza cérébrale
L’échantillon de l’étude a été collecté il y a plus de dix ans auprès d’un patient anonyme subissant une intervention chirurgicale pour l’épilepsie. Le chirurgien a retiré un petit morceau du lobe temporal pour accéder et traiter une lésion sous-jacente, a rapidement préservé le tissu, puis l’a partagé avec les scientifiques. Bien que le volume total du fragment soit d’environ 1 millimètre cube, il n’a pas la forme d’un cube. Au lieu de cela, « c’est comme un morceau de pizza épais, mais ce n’est pas si épais », explique Lichtman. Ce morceau triangulaire et émoussé, plus long que large, a permis aux chercheurs de capturer un peu des six couches du cortex cérébral de 3 mm d’épaisseur.
La première étape pour cartographier la pizza du cerveau consistait à Tranchez-le en 5 019 sections transversales individuelles (chacune de 30 nanomètres d’épaisseur) montées sur du ruban adhésif à l’aide d’une machine spécialement conçue qui coupe avec un couteau diamanté. À partir de là, les chercheurs ont passé une année complète à imager soigneusement chaque tranche au microscope électronique. Ensuite, ils ont aligné et assemblé numériquement les tranches et ont utilisé plusieurs outils d’apprentissage automatique pour remplir le formulaire 3D, étiqueter et colorer chaque composant.
La densité neuronale du segment est de 16 000 neurones par millimètre cube, soit environ un tiers de moins qu’une estimation précédente de la densité de la même section du cerveau et 10 fois moins dense que la section correspondante du cerveau d’une souris, selon l’étude. Les cellules gliales, la colle conjonctive qui maintient les tissus cérébraux ensemble, sont plus nombreuses que les neurones du fragment dans un rapport de deux pour un.
Explorateurs neuronaux
La taille physique du fragment cérébral est peut-être minuscule, mais le niveau de détail signifie que les données capturées par l’effort de cartographie sont massives. Le segment reconstruit a une taille numérique de 1,4 pétaoctets, soit 1 400 téraoctets (l’équivalent de la capacité de stockage d’environ 2 800 ordinateurs portables moyens). Dans ce cadre, il y a beaucoup à découvrir potentiellement : des circuits neuronaux individuels, des rapports et des formes cellulaires inédits, la composition de chaque couche corticale, et bien plus encore.
«C’est comme être un explorateur qui atterrit sur une nouvelle île», explique Lichtman. “Vous continuez à regarder autour de vous et vous allez continuer à trouver de nouvelles choses.”
Lichtman et ses nombreux co-chercheurs ont déjà fait des observations intéressantes. Parmi les quelque 150 millions de synapses cartographiées, ils ont découvert un type rare de connexion particulièrement forte. Dans la grande majorité (96,5 %) des cas, les axones – la ligne de transmission sortante des neurones – formaient une seule connexion avec une cellule cible. Certains (environ 3 %) ont établi 2 connexions. Mais moins de 0,01 % ont forgé plus de quatre synapses, dont certains axones et cellules cibles connectés en plus de 50 points.
“Nous avons toujours eu une théorie selon laquelle il y aurait des super connexions, si vous préférez, entre certaines cellules”, explique Mosca. “Mais c’est quelque chose que nous n’avons jamais eu la résolution de prouver… Maintenant, nous savons que cela existe et nous pouvons nous pencher sur la question de savoir ce qu’il fait.” L’hypothèse actuelle de Lichtman est que ces connexions extra-fortifiées sont le genre de voies hyper-rapides qui permettent « une utilisation automatique du cerveau » pour des actions bien établies et apprises.
Autre observation nouvelle : de nombreuses dendrites (les extensions ramifiées des neurones qui reçoivent généralement des entrées) semblent se refléter les unes les autres, se pointant symétriquement dans l’un des deux arrangements directionnels parmi des possibilités tridimensionnelles infinies. “Nous n’avions jamais rien vu de pareil [before]”, dit Lichtman. « Pourquoi font-ils ça ? Nous ne savons pas… [it is] un mystère complet.
Les scientifiques ont en outre découvert un nouveau type de structure inexpliquée qu’ils ont baptisée « verticille d’axone », dans laquelle de longs câbles d’axones semblent s’emmêler autour d’eux-mêmes. Même s’il ne s’agissait pas de tous les neurones, certains axones contenaient plusieurs nœuds, explique Viren Jainco-auteur principal de l’étude et scientifique principal chez Google, où il dirige les recherches de l’entreprise. Connectique l’équipe de recherche. Encore une fois, la fonction et la cause de ces verticilles sont inconnues. « Nous ne nous attendions pas à trouver une telle structure. C’est très particulier… comme un gros fouillis de câbles qui contrevient en quelque sorte au but d’un fil, qui est d’aller à des endroits et d’entrer en contact avec d’autres choses.
Ces trois découvertes ne sont probablement que la pointe de l’iceberg. « L’ensemble de données est si vaste qu’un être humain ou un groupe de laboratoire ne peut pas l’explorer. [all], mais un groupe d’êtres humains le peut », dit Lichtman. En raison de la nature ouverte du projet, plus de 200 papiers ont cité la reconstruction cérébrale depuis sa première publication en pré-impression, souligne Jain.
En plus de constituer une avancée scientifique fondamentale et importante, les découvertes résultant de ce connectome partiel pourraient à terme nous aider à mieux comprendre et traiter les maladies cérébrales. “La capacité de mesurer le câblage neuronal du cerveau humain avec autant de détails ouvre des perspectives passionnantes pour faire progresser la santé humaine”, déclare Andrew Leifer, physicien et neuroscientifique à l’Université de Princeton qui n’a pas participé au projet. “On pourrait imaginer comparer différents cerveaux pour comprendre comment le câblage cérébral change lorsqu’un cerveau sain souffre d’une maladie ou tombe dans un dysfonctionnement”, ajoute-t-il.
Repousser les frontières du futur
Mais s’il y a beaucoup à découvrir, il y a aussi des limites. Les méthodes automatisées d’apprentissage automatique qui ont joué un rôle clé dans la réalisation d’un projet à si grande échelle comportent une marge d’erreur qui nécessite une surveillance humaine pour être corrigée. L’édition sera un projet en cours et constitue un effort scientifique communautaire. Quiconque le souhaite peut postuler pour participer à.
L’échantillon ne représente également qu’un petit morceau du cerveau d’une personne. Il y a beaucoup de choses qui ne peuvent pas encore être déduites sur le cerveau humain en général ou sur d’autres régions du cerveau au-delà du lobe temporal sur la base de ce seul fragment sans davantage d’échantillons et de cartes à des fins de comparaison, note Lichtman.
Et, peut-être le plus important, le segment cérébral provient d’une personne subissant une intervention chirurgicale pour l’épilepsie. Il ne représente peut-être pas un cerveau « normal » et il n’y a aucun moyen de le savoir avec certitude à moins et jusqu’à ce que nous ayons plus de morceaux à évaluer, disent Jain et Lichtman. “Mais nous sont je prévois de nombreux suivis à ce sujet », ajoute Jain.
L’équipe a l’ambition de construire plusieurs connectomes partiels représentant des échantillons supplémentaires de cerveau humain. Ils travaillent également sur le connectome du poisson zèbre et envisagent de s’attaquer à des segments de plus en plus importants du cerveau de la souris. Les cerveaux des mammifères partagent de nombreuses similitudes, de sorte qu’un connectome complet de souris pourrait offrir de nouvelles informations sur notre propre cerveau ainsi que sur l’évolution des cerveaux des animaux, explique Lichtman.
À l’heure actuelle, avec les technologies actuellement disponibles (et leurs implications éthiques), un connectome complet du Brian humain est « un pont trop loin », dit Lichtman. « Littéralement, nous en sommes à un million de fois », déclare Jain. Mais grâce à cette étude, les scientifiques ont fait un premier pas (bien que minuscule) dans cette direction, et même le plus petit judas peut être un portail vers tout un univers de connaissances.
«J’aimerais que les gens réfléchissent à cela de la même manière qu’ils pensent au télescope Hubble ou James Webb», déclare Lichtman. « Nous explorons un domaine inconnu, et qui nous intéresse bien plus que l’espace lointain. C’est cet espace intérieur que chacun de nous porte sur ses épaules et que nous utilisons, mais dont nous ne savons presque rien.
