Mardi dernier, des équipes de Google et de Harvard ont publié une carte complexe de chaque cellule et connexion dans un millimètre cube du cerveau humain.

La région cartographiée englobe les différentes couches et types de cellules du cortex cérébral, une région du tissu cérébral associée à une cognition de niveau supérieur, telle que la pensée, la planification et le langage. D’après Google, c’est la plus grande carte cérébrale à ce niveau de détail à ce jour, et elle est disponible gratuitement en ligne pour les scientifiques (et le reste d’entre nous). (Vraiment. Va ici. Faire une promenade.)

Pour créer la carte, les équipes ont découpé le tissu donné en 5 300 sections, chacune de 30 nanomètres d’épaisseur, et les ont imagées avec un microscope électronique à balayage à une résolution de 4 nanomètres. Les 225 millions d’images résultantes ont été alignées par calcul et recousues dans une représentation numérique 3D de la région. Les algorithmes d’apprentissage automatique ont segmenté les cellules individuelles et classé les synapses, les axones, les dendrites, les cellules et d’autres structures, et les humains ont vérifié leur travail. (L’équipe a posté un papier pré-imprimé à propos de la carte sur bioArxiv.)

L’année dernière, Google et le Janelia Research Campus du Howard Hughes Medical Institute ont fait la une des journaux en cartographiant de la même manière une partie du cerveau d’une mouche des fruits. Cette carte, à l’époque le plus grand à ce jour, couvrait quelque 25 000 neurones et 20 millions de synapses. En plus de cibler le cerveau humain, lui-même remarquable, la nouvelle carte comprend des dizaines de milliers de neurones et 130 millions de synapses. Il occupe 1,4 pétaoctet d’espace disque.

En comparaison, plus de trois décennies d’images satellite de la Terre par le programme Landsat de la NASA nécessitent 1,3 pétaoctet de stockage. Les collections d’images cérébrales aux plus petites échelles sont comme « un monde dans un grain de sable », a déclaré Clay Reid de l’Institut Allen. Nature, citant William Blake en référence à une carte antérieure du cerveau de la souris.

Tout cela, cependant, n’est qu’un millionième du cerveau humain. C’est-à-dire qu’une carte tout aussi détaillée de l’ensemble est encore dans des années. Pourtant, le travail montre à quelle vitesse le domaine évolue. Une carte de cette échelle et de ces détails aurait été inimaginable il y a quelques décennies.

Comment cartographier un cerveau

L’étude des circuits cellulaires du cerveau est connue sous le nom de connectomique.

Obtenir le connectome humain, ou le schéma de câblage d’un cerveau entier, est un coup de lune semblable au génome humain. Et comme le génome humain, au début, cela semblait un exploit impossible.

le seulement des connectomes complets sont pour des créatures simples : le ver nématode (C. elegans) et la larve d’une créature marine appelée C. intestinalis. Il y a une très bonne raison à cela. Jusqu’à récemment, le processus de cartographie était long et coûteux.

Cartographie des chercheurs C. elegans dans les années 1980, il a utilisé un appareil photo argentique relié à un microscope électronique pour imager des tranches du ver, puis a reconstruit les neurones et les connexions synaptiques par la main, comme un puzzle tridimensionnel d’une difficulté exaspérante. C. elegans n’a que 302 neurones et environ 7 000 synapses, mais le le brouillon de son connectome a pris 15 ans, et un projet final a pris 20 autres. De toute évidence, cette approche ne serait pas à l’échelle.

Qu’est-ce qui a changé ? Bref, l’automatisation.

De nos jours, les images elles-mêmes sont, bien sûr, numériques. Un processus connu sous le nom de broyage par faisceau d’ions focalisé rase chaque tranche de tissu de quelques nanomètres à la fois. Après qu’une couche est vaporisée, un microscope électronique image la couche nouvellement exposée. La couche imagée est ensuite rasée par le faisceau d’ions et la suivante imagée, jusqu’à ce qu’il ne reste plus de la tranche de tissu qu’une copie numérique à résolution nanométrique. On est loin de l’époque de Kodachrome.

Mais l’amélioration la plus spectaculaire est peut-être ce qui se passe une fois que les scientifiques ont terminé cette pile d’images.

Au lieu de les assembler à la main, les algorithmes prennent le relais. Leur premier travail consiste à commander les tranches imagées. Ensuite, ils font quelque chose d’impossible jusqu’à la dernière décennie. Ils alignent ainsi les images, traçant le chemin des cellules et des synapses entre elles et construisant ainsi un modèle 3D. Les humains relisent toujours les résultats, mais ils ne font plus le plus dur. (Même la relecture peut être affinée. Le neuroscientifique de renom et partisan de la connectomique Sebastian Seung, par exemple, créé un jeu appelé Eyewire, où des milliers de bénévoles structures d’examen.)

« C’est vraiment beau à regarder », a déclaré Jeff Lichtman, de Harvard, dont le laboratoire a collaboré avec Google sur la nouvelle carte. Nature en 2019. Les programmes peuvent tracer les neurones plus rapidement que l’équipe ne peut produire des données d’image, a-t-il déclaré. « Nous ne sommes pas en mesure de les suivre. C’est un endroit formidable.

Mais pourquoi…?

Dans une conférence TED 2010, Seung a dit au public que vous êtes votre connectome. Reconstruisez les connexions et vous reconstruisez l’esprit lui-même : souvenirs, expérience et personnalité.

Mais la connectomique n’a pas été sans controverse au fil des ans.

Tout le monde ne pense pas que cartographier le connectome à ce niveau de détail soit nécessaire pour une compréhension approfondie du cerveau. Et, en particulier dans le passé plus ancien et plus artisanal du domaine, les chercheurs craignaient que l’échelle des ressources nécessaires ne donne tout simplement pas des résultats comparables (ou opportuns).

« Je n’ai pas besoin de connaître les détails précis du câblage de chaque cellule et de chaque synapse dans chacun de ces cerveaux », le nuroscientifique Anthony Movshon dit en 2019. « Ce que j’ai besoin de savoir, à la place, ce sont les principes organisationnels qui les relient ensemble. » Ceux-ci, selon Movshon, peuvent probablement être déduits d’observations à des résolutions inférieures.

De plus, un instantané statique des connexions physiques du cerveau n’explique pas nécessairement comment ces connexions sont utilisées dans la pratique.

« Un connectome est nécessaire, mais pas suffisant », ont déclaré certains scientifiques au fil des ans. En effet, c’est peut-être dans la combinaison de cartes cérébrales, y compris des cartes fonctionnelles de niveau supérieur qui suivent les signaux circulant dans les réseaux neuronaux en réponse à des stimuli, que le fonctionnement interne du cerveau sera illuminé dans les moindres détails.

Pourtant, le C. elegans Le connectome s’est avéré être un élément fondamental des neurosciences au fil des ans. Et la vitesse croissante de la cartographie commence à suggérer des objectifs qui semblaient autrefois irréalisables pourraient en réalité être à portée de main dans les décennies à venir.

Sommes-nous déjà là?

Seung a dit que lorsqu’il a commencé, il a estimé qu’il faudrait un million d’années à une personne pour tracer manuellement toutes les connexions dans un millimètre cube de cortex humain. Le cerveau entier, a-t-il encore déduit, prendrait l’ordre d’un billion d’années.

C’est pourquoi l’automatisation et les algorithmes ont été si cruciaux sur le terrain.

Gerry Rubin de Janelia Raconté Statistique lui et son équipe ont supervisé une augmentation de 1 000 fois de la vitesse de cartographie depuis qu’ils ont commencé à travailler sur le connectome des mouches des fruits en 2008. Le connectome complet, dont la première partie a été achevée l’année dernière, pourrait arriver en 2022.

D’autres groupes travaillent sur d’autres animaux, comme les pieuvres, affirmant que comparer la façon dont différentes formes d’intelligence sont câblées peut s’avérer un terrain particulièrement riche pour la découverte.

Le connectome complet d’une souris, un projet déjà en cours, pourrait suivre la mouche des fruits d’ici la fin de la décennie. Rubin estime que passer de la souris à l’humain nécessiterait un autre million de fois la vitesse de cartographie. Mais il souligne l’augmentation de mille milliards de fois de la vitesse de séquençage de l’ADN depuis 1973 pour montrer que des améliorations techniques aussi spectaculaires ne sont pas sans précédent.

Le génome peut être une comparaison appropriée d’une autre manière aussi. Même après le séquençage du premier génome humain, il a fallu de nombreuses années pour faire évoluer la génomique au point que nous puissions mieux réaliser son potentiel. Il en sera peut-être de même de la connectomique.

Même si la technologie ouvre de nouvelles portes, comprendre et utiliser tout ce qu’elle a à offrir peut prendre du temps.

« Je crois que les gens étaient impatients de savoir ce que [connectomes] fournirait », Joshua Vogelstein, cofondateur du projet Open Connetome, dit au Bord l’année dernière. « Le laps de temps entre le démarrage d’une bonne technologie et la réalisation de la science en utilisant cette technologie est souvent d’environ 15 ans. Maintenant, c’est 15 ans plus tard et nous pouvons commencer à faire de la science.

Les partisans espèrent que les cartes cérébrales donneront de nouvelles informations sur le fonctionnement du cerveau, de la pensée aux émotions et à la mémoire, et sur la manière de mieux diagnostiquer et traiter les troubles cérébraux. D’autres, dont Google sans doute, espèrent glaner des informations qui pourraient conduire à une informatique plus efficace (le cerveau est étonnant à cet égard) et à une intelligence artificielle puissante.

On ne sait pas exactement ce que les scientifiques trouveront car, neurone par synapse, ils cartographient le fonctionnement interne de notre esprit, mais il semble que presque certaines grandes découvertes nous attendent.

Crédit d’image : Google/Harvard