Une carte complète de toutes les connexions dans l’ensemble du cerveau d’un mammifère pourrait être en vue. Les chercheurs de l’Allen Institute viennent de lancer trois nouveaux projets visant à construire de grandes cartes détaillées des connexions neuronales dans des sections du cerveau des souris et des macaques, dans le but de créer à l’avenir des schémas de câblage complets du cerveau de ces animaux. Ces projets sont financés par le National Institutes of Health Recherche sur le cerveau grâce à l’avancement des neurotechnologies innovantes® (CERVEAU) Initiative.
Les équipes de recherche de l’Allen Institute utiliseront le financement pour :
- cartographier les structures fines et les connexions dans un plan de 10 mm3 morceau de cerveau de souris obtenu en microscopie électronique ;
- appliquer de nouvelles techniques de pointe connues sous le nom de BARseq et BRICseq pour retracer les connexions à longue portée de centaines de milliers de neurones dans le cerveau des macaques ; et
- mettre à l’échelle les techniques qui caractérisent les types de cellules cérébrales par leur forme 3D, leurs propriétés électriques et leur expression génétique afin de mieux comprendre la connectivité entre différents types de cellules dans l’ensemble du cerveau de la souris.
Projet 1 : Améliorer les techniques de microscopie électronique à transmission pour visualiser la forme des cellules cérébrales et les réseaux de connexion cellule à cellule du cerveau de souris
Les chercheurs viseront à mettre à l’échelle et à optimiser un pipeline de microscopie électronique à transmission (TEM). L’objectif sera d’utiliser ce pipeline pour imager un hémisphère entier d’un cerveau de souris à une résolution de 120 nanomètres et le boucle thalamique des noyaux gris centraux corticaux (jusqu’à 10 mm3) de manière très détaillée pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau de la souris. Les chercheurs évalueront ensuite si cette technologie peut être utilisée pour imager un entier cerveau de souris ; une réalisation importante qui pourrait fournir une feuille de route précieuse pour les neurosciences mondiales.
La microscopie électronique à transmission (TEM) est une technique dans laquelle un faisceau d’électrons est projeté à travers un échantillon de tissu pour créer une image extrêmement détaillée. « Il est devenu de plus en plus clair au cours des dernières années que la plupart des calculs cérébraux se produisent réellement, non pas dans des zones isolées, mais dans des réseaux distribués qui s’étendent à l’échelle du cerveau ; et donc si nous voulons vraiment comprendre comment ce genre de « Les calculs fonctionnent, nous devons voir l’ensemble du réseau, ce qui signifie que nous devons voir les connexions dans tout le cerveau », a déclaré Forrest Collman, Ph.D., chercheur adjoint à l’Institut Allen.
Le chercheur associé Nuno da Costa, Ph.D., note que l’impact potentiel pour la communauté scientifique au sens large est important : « Considérez-le comme une « carte Google Maps » de chaque route, de chaque maison et de chaque porte. Si cela est fait correctement, c’est une contribution qui durera pour toujours.
Projet 2 : Cartographier la manière dont les cellules cérébrales sont connectées les unes aux autres à l’aide de la connectomique à codes-barres
Pour ce projet, les scientifiques cartographieront les connexions à l’échelle du cerveau en traçant les chemins sinueux que tracent les axones et les dendrites lorsqu’ils atteignent et se connectent à d’autres cellules cérébrales. Considérez-les comme les longs bras et doigts de la cellule cérébrale rayonnant hors du corps cellulaire et s’étendant vers d’autres cellules dans tout le cerveau pour créer des réseaux. Les chercheurs traceront ces chemins complexes à l’aide d’une technique innovante connue sous le nom de BARseq, qui signifie anatomie à code-barres résolue par séquençage.
Il fonctionne en marquant chaque cellule avec un code-barres d’ARN unique qui la distingue dans une population cellulaire. En « reliant les points » entre chaque code-barres, vous pouvez retracer où et jusqu’où une cellule cérébrale, à savoir ses axones et ses dendrites, s’étend.
Elle est beaucoup plus rapide et efficace que les autres techniques et peut être facilement combinée avec d’autres données.
Nous pouvons en fait cartographier l’ensemble du cerveau du macaque en quelques années au lieu de 100 ans. C’est la principale motivation. »
Xiaoyin Chen, Ph.D., chercheur adjoint à l’Institut Allen
Projet 3 : Amélioration d’un pipeline Patch-seq pour produire plus de données, des résultats plus rapides et relier différents ensembles de données pour découvrir la forme et la fonction dans l’ensemble du cerveau de la souris
Il est essentiel de développer des outils reliant les types de cellules génétiquement définis aux schémas de circuits à l’échelle du cerveau pour comprendre le fonctionnement cérébral. Dans ce projet, les chercheurs travailleront à relier les ensembles de données génétiques et de circuits en mettant à l’échelle et en partageant des technologies qui mesurent les caractéristiques communes aux deux ensembles de données dans l’ensemble du cerveau de la souris.
Plus précisément, ce projet vise à améliorer la capacité de l’Allen Institute à générer des données multidimensionnelles, à l’aide de la méthode Patch-seq, et à capturer la structure complète des neurones à partir d’images cérébrales entières grâce à l’automatisation, à la modélisation de vision industrielle et à des techniques informatiques avancées. Un autre objectif clé du projet est de partager les outils qu’ils développent avec la communauté plus large des chercheurs afin que les experts du domaine puissent contribuer à caractériser les types de cellules et les circuits dans l’ensemble du cerveau de la souris.
« Nous utilisons des approches plus sophistiquées basées sur l’apprentissage automatique qui permettent de créer ces réseaux neuronaux profonds pour aligner les descriptions morphologiques sur la transcriptomique, sur les données du connectome et sur les données de projection à longue portée », a déclaré Staci Sorensen, Ph. .D., directeur associé de neuroanatomie à l’Institut Allen. « Jusqu’à présent, nous sommes très enthousiasmés par les résultats que nous obtenons. Je pense que cela fonctionnera particulièrement bien au niveau des sous-classes cellulaires. »
