Les scientifiques ont reconstruit le schéma de câblage d’un morceau de cerveau humain avec des détails sans précédent, révélant de nouvelles bizarreries et complexités dans ce que beaucoup considèrent comme l’objet le plus sophistiqué de l’univers connu.
Des chercheurs de Harvard se sont associés à des experts en apprentissage automatique pour Google pour cartographier les circuits neuronaux, les connexions, les cellules de soutien et l’apport sanguin dans un morceau de tissu sain prélevé dans le cortex d’une femme de 45 ans qui avait subi une intervention chirurgicale pour l’épilepsie.
L’amas de cerveau ne représentait qu’un simple millimètre cube de tissu, mais la mise au point du câblage représentait encore une tâche énorme pour l’équipe. Les images au microscope électronique de plus de 5 000 tranches de l’échantillon ont révélé 57 000 cellules individuelles, 150 millions de connexions neuronales et 23 cm de vaisseaux sanguins.
“L’objectif était d’obtenir une vue haute résolution de cet élément biologique le plus mystérieux que chacun de nous porte sur ses épaules”, a déclaré Jeff Lichtman, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à Harvard. « La raison pour laquelle nous ne l’avons pas fait auparavant, c’est que c’est un sacré défi. C’était vraiment extrêmement difficile de faire ça.
Après avoir découpé le tissu en tranches moins de 1 000 fois plus fines que la largeur d’un cheveu humain, les chercheurs ont pris des images de chacune au microscope électronique pour capturer les détails de la structure du cerveau jusqu’à l’échelle nanométrique, soit des millièmes de millimètre. Un algorithme d’apprentissage automatique a ensuite retracé les chemins des neurones et d’autres cellules à travers les sections individuelles, un processus minutieux qui aurait pris des années aux humains. Les images comprenaient 1,4 pétaoctets de données, ce qui équivaut à 14 000 films complets en résolution 4K.
“Nous avons trouvé beaucoup de choses dans cet ensemble de données qui ne figurent pas dans les manuels”, a déclaré Lichtman. “Nous ne comprenons pas ces choses, mais je peux vous dire qu’elles suggèrent qu’il y a un gouffre entre ce que nous savons déjà et ce que nous devons savoir.”
Dans une observation déconcertante, les neurones dits pyramidaux, qui ont de grandes branches appelées dendrites dépassant de leur base, présentaient une curieuse symétrie, certains étant tournés vers l’avant et d’autres vers l’arrière. D’autres images ont révélé des verticilles serrés d’axones, ces fines fibres qui transportent les signaux d’une cellule cérébrale à une autre, comme si elles étaient restées coincées sur un rond-point avant d’identifier la bonne sortie et de poursuivre leur chemin.
La carte a également révélé de rares cas où les neurones ont établi des connexions extrêmement fortes avec d’autres cellules. Dans l’ensemble du tissu cérébral, plus de 96 % des axones n’établissaient qu’une seule connexion avec une cellule cible, et 3 % établissaient deux connexions. Mais une poignée d’entre eux ont établi des dizaines de connexions, et dans un cas plus de 50, avec une cellule voisine. Les détails sont publiés dans la revue Science.
Lichtman a émis l’hypothèse que des liens aussi forts pourraient aider à expliquer comment des comportements bien appris – comme retirer le pied de l’accélérateur et appliquer le frein à un feu rouge – ne nécessitent presque aucune réflexion après suffisamment de pratique. “Je pense que ces connexions puissantes peuvent faire partie du système d’informations apprises et de ce à quoi ressemble l’apprentissage dans le cerveau”, a-t-il déclaré. L’équipe réalise la carte disponible gratuitement pour que d’autres chercheurs puissent l’utiliser.
Pour l’instant, les chercheurs n’envisagent même pas de cartographier l’intégralité d’un cerveau humain. La tâche est trop ardue sur le plan technologique et les cerveaux humains en bonne santé ne poussent pas dans les arbres. Au lieu de cela, le prochain projet sera une collaboration multi-universitaire avec Google pour reconstruire le câblage du cerveau entier d’une souris. Cela pourrait faire la lumière sur les circuits cérébraux qui poussent une souris à se diriger vers le fromage suisse et, par conséquent, sur ce qui fait s’arrêter un humain devant une boulangerie. “Vous auriez un aperçu de la façon dont la volonté humaine est guidée par l’expérience sensorielle”, a déclaré Lichtman. “Il existe des opportunités vraiment merveilleuses, si vous avez un cerveau de souris entier, de mieux comprendre le libre arbitre”, a déclaré Lichtman. “Vous savez, une souris n’est pas un robot.”
