Par Michael Marshall

Google a aidé à créer la carte la plus détaillée à ce jour des connexions au sein du cerveau humain. Il révèle une quantité stupéfiante de détails, y compris des schémas de connexions entre les neurones, ainsi que ce qui pourrait être un nouveau type de neurone.

le carte du cerveau, lequel est disponible gratuitement en ligne, comprend 50 000 cellules, toutes rendues en trois dimensions. Ils sont reliés entre eux par des centaines de millions de vrilles arachnéennes, formant 130 millions de connexions appelées synapses. L’ensemble de données mesure 1,4 pétaoctet, soit environ 700 fois la capacité de stockage d’un ordinateur moderne moyen.

L’ensemble de données est si grand que les chercheurs ne l’ont pas étudié en détail, dit Viren Jain à Google Research à Mountain View, en Californie. Il le compare à le génome humain, qui est toujours à l’étude 20 ans après la publication des premières ébauches.

C’est la première fois que nous voyons la structure réelle d’une si grande partie du cerveau humain, dit Catherine Dulac à l’Université Harvard, qui n’était pas impliqué dans le travail. « Il y a quelque chose d’un peu émotionnel là-dedans. »

Cette entreprise gigantesque a commencé lorsqu’une équipe dirigée par Jeff Lichtman, également à l’Université Harvard, a obtenu un petit morceau de cerveau d’une femme de 45 ans souffrant d’épilepsie résistante aux médicaments. Elle a subi une intervention chirurgicale pour retirer l’hippocampe gauche, la source de ses crises, de son cerveau. Pour ce faire, les chirurgiens ont dû retirer du tissu cérébral sain qui recouvrait l’hippocampe.

Lichtman et son équipe ont immédiatement immergé l’échantillon dans des conservateurs, puis l’ont coloré avec des métaux lourds comme l’osmium, de sorte que les membranes externes de chaque cellule étaient visibles au microscope électronique. Puis ils l’ont noyé dans de la résine pour le durcir. Enfin, ils l’ont coupé en tranches d’environ 30 nanomètres d’épaisseur, soit environ un millième de la largeur d’un cheveu humain, et ont utilisé un microscope électronique pour imager chaque tranche.

À ce point, L’équipe de Jain chez Google a pris le relais, assemblant les tranches bidimensionnelles – que Jain appelle « une approche de trancheur de charcuterie du cerveau » – pour former un volume tridimensionnel. Ils ont utilisé l’apprentissage automatique pour reconstruire les vrilles reliant un neurone à un autre et ont étiqueté les différents types de cellules.

Tout cela ne détaille qu’une infime fraction du cerveau. Jain dit que son échelle est mieux comprise en pensant à une imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), utilisée pour montrer l’activité dans différentes régions du cerveau. « L’ensemble de données que nous avons produit est d’un millimètre cube, ce qui correspond généralement à un pixel dans une IRM », dit-il. « Il est intéressant de découvrir tout ce qui se cache sous le capot d’un pixel d’une IRM. »

Pour Dulac, l’ensemble de données est « une mine de cadeaux pour les années à venir ». L’équipe a déjà fait de nouvelles découvertes sur la façon dont notre cerveau est câblé : par exemple, il y avait un écart flagrant dans le nombre de connexions entre les neurones.

Normalement, lorsqu’une vrille d’un neurone passait près d’un autre, elle ne formerait qu’une seule synapse, ou plus rarement deux à quatre. Mais il y avait aussi des vrilles qui formaient jusqu’à 20 synapses sur un neurone cible, ce qui signifie que cette vrille à elle seule serait probablement capable de déclencher le déclenchement de ce neurone.

On ne sait pas pourquoi, mais Lichtman spécule que les connexions multi-synapses sous-tendent les comportements appris. « Il y a beaucoup de choses que votre cerveau fait par cognition, en pensant et en le déroutant et en prenant une décision, et il y a beaucoup de choses que vous faites automatiquement qui n’auraient pas pu venir génétiquement », dit-il, comme freiner lorsque vous voyez un feu rouge . Les connexions super fortes permettraient à un message de passer rapidement à travers le réseau.

L’équipe a également trouvé de mystérieuses paires de neurones profondément dans le cortex qui n’avaient jamais été observées auparavant. « Les deux cellules pointaient exactement dans la direction opposée sur le même axe », explique Lichtman. Personne ne sait pourquoi.

Cartographie du cerveau, ou alors connectomique, possède parcouru un long chemin depuis sa première percée dans les années 1980, lorsque les chercheurs ont cartographié les 302 neurones du système nerveux d’un ver appelé Caenorhabditis elegans. Jain, Dulac et Lichtman faisaient partie d’un groupe qui, en 2020, a plaidé en faveur de cartographier un cerveau de souris entier à un niveau de détail similaire.

« Un cerveau de souris entier n’est que 1000 fois plus gros que cela, un exaoctet au lieu d’un pétaoctet », explique Lichtman. « C’est à une échelle où nous pourrons probablement le faire d’ici une décennie, je suppose. » Dulac veut voir comment le cortex est lié à d’autres parties du cerveau, et cartographier le cerveau de la souris le révélerait.

La cartographie d’un cerveau humain entier nécessiterait un ensemble de données encore 1000 fois plus grand, un zettaoctet, ce qui, selon Lichtman, est « comparable à la quantité de contenu numérique généré en un an par la planète Terre ».

Mais cela ne vaut peut-être pas la peine. « Nous pouvons découvrir qu’il s’agit en grande partie d’informations codées issues de l’expérience, et donc chaque cerveau sera quelque chose de différent de tous les autres », dit-il. Sans comprendre comment les informations sont stockées, les données seraient du charabia, dit-il.

Un avantage plus immédiat serait d’explorer en quoi la carte cellulaire diffère chez les personnes souffrant de problèmes de santé mentale, explique Dulac. « Des études similaires pourraient être menées chez des patients qui souffrent également d’une maladie mentale », dit-elle, pour faire la lumière sur la façon dont des conditions telles que la schizophrénie se manifestent.

Référence de la revue : bioRxiv, DOI : 10.1101/2021.05.29.446289

Inscrivez-vous gratuitement à notre Bilan de santé newsletter pour un tour d’horizon de toutes les actualités santé et fitness que vous devez savoir, chaque samedi