Le cerveau humain est une autoroute enchevêtrée de fils émanant de près de 100 milliards de neurones, qui communiquent tous via des milliards de jonctions appelées synapses. « D’une complexité déprimante », dit Jeff Lichtman, neuroscientifique à Harvard. Selon Lichtman, la seule façon de comprendre cette autoroute est de créer une carte.
Lichtman, professeur Jeremy R. Knowles de biologie moléculaire et cellulaire, a passé plusieurs décennies à générer de telles cartes et, ce faisant, a été le pionnier d’un domaine connu sous le nom de « connectomique ». Son objectif ultime est de dresser une carte cérébrale de l’ensemble du mammifère tenant compte de chaque connexion neuronale, ce qu’on appelle le « connectome ».
Aujourd’hui, Lichtman et ses collègues se lancent dans une nouvelle étape cruciale de ce voyage en cherchant à capturer les données du connectome au niveau synapse d’un cerveau de souris avec une clarté et une résolution sans précédent.
Lichtman et ses partenaires, dont l’Université de Princeton, le MIT, l’Université de Cambridge et Johns Hopkins, ont reçu 30 millions de dollars des National Institutes of Health et 3 millions de dollars supplémentaires de Harvard et de Princeton dans le but de reconstruire, pour la première fois, tout le câblage neuronal à l’intérieur d’un cerveau de souris. Ils prouveront l’exploit possible en imaginant d’abord une région de 10 millimètres cubes dans la formation hippocampique de la souris, la partie du cerveau responsable de la consolidation de la mémoire, de la navigation spatiale et d’autres tâches complexes.
Tout comme le Human Genome Project a catalogué chaque gène humain et sa séquence d’ADN unique, le connectome de Lichtman, sur lequel il a travaillé depuis son arrivée à Harvard en 2004, serait un diagramme complet de chaque connexion neuronale du cerveau.
La création d’un connectome du cerveau humain pourrait conduire à de nouvelles approches dans le diagnostic et le traitement des troubles cérébraux, de l’autisme à la schizophrénie. Les scientifiques soupçonnent que ces maladies sont des « connectopathies » – ; des erreurs de câblage subtiles qu’aucun scanner cérébral actuellement disponible ne peut détecter.
« La connectomique est la seule voie », a déclaré Lichtman, affilié au Center for Brain Science de Harvard. « Si nous arrivons à un point où l’analyse d’un cerveau de souris entier devient une routine, vous pourriez envisager de le faire, par exemple, sur des modèles animaux d’autisme. Il existe un niveau de compréhension du cerveau qui n’existe pas actuellement. Nous connaissons l’extérieur. manifestations du comportement. Nous connaissons certaines des molécules qui sont perturbées. Mais entre les deux, les schémas de câblage, jusqu’à présent, il n’y avait aucun moyen de les voir. Maintenant, il existe un moyen.
Les National Institutes of Health ont attribué un financement à de nouveaux bénéficiaires de l’initiative Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies®, ou BRAIN Initiative, début septembre. L’équipe de Harvard est financée par le réseau BRAIN Initiative Connectivity Across Scales, visant à développer la capacité de recherche et les capacités techniques pour créer des schémas de câblage de cerveaux entiers.
« Les techniques actuelles n’ont ni la résolution ni la capacité de cartographier de grandes régions du cerveau entier, informations essentielles pour percer les mystères de cet incroyable organe », a déclaré John Ngai, directeur de l’Initiative BRAIN. « Après des années de planification minutieuse et de contribution de la communauté scientifique, BRAIN CONNECTS – qui représente notre troisième projet transformateur à grande échelle – vise à développer les outils nécessaires pour obtenir des cartes de connectivité à l’échelle du cerveau à des niveaux de détail et d’échelle sans précédent. «
Le cerveau de la souris est, bien sûr, beaucoup plus petit que celui d’un humain, mais lorsque l’on observe les neurones individuels, les vésicules synaptiques et les cellules gliales, « on ne peut pas faire la différence », a déclaré Lichtman. « Au niveau des cellules et des synapses, tous les cerveaux des mammifères sont fondamentalement identiques. »
Compte tenu des progrès récents dans le domaine de l’informatique et du traitement des données, ainsi que des travaux antérieurs de Lichtman et d’autres – ; dont le Professeur Florian Engert en biologie moléculaire et cellulaire – ; sur le cerveau du poisson zèbre et des mouches des fruits, la réalisation d’une carte cérébrale de souris est devenue plus réalisable et servirait de premier terrain d’essai pour l’imagerie du cerveau humain. Lichtman et ses collègues ont appelé à des efforts collectifs vers le noble objectif d’un connectome cérébral de souris dans un article d’opinion de 2020 intitulé « L’esprit d’une souris ».
Les chercheurs appliqueront des techniques d’imagerie biologique que Lichtman et ses collègues ont inventées au cours de plusieurs décennies pour atteindre leurs objectifs. Pour le projet NIH, ils utiliseront un système à deux niveaux. Premièrement, deux microscopes électroniques à balayage à 91 faisceaux, l’un à Harvard et l’autre à Princeton, captureront des images de fines sections de la formation hippocampique de souris. La surface de chaque section sera ensuite gravée avec un faisceau d’ions de quelques nanomètres à la fois, et le processus d’imagerie sera répété jusqu’à ce que l’intégralité du volume soit visualisée. Une équipe de Google Research extraira informatiquement le schéma de câblage résultant grâce à l’apprentissage automatique.
L’équipe s’attend à générer environ 10 000 téraoctets de données pour leur section de cerveau de souris de 10 millimètres carrés ; 50 fois cette quantité de données serait générée pour un cerveau de souris entier. Au cours de la première moitié de leur projet quinquennal, l’équipe prévoit de générer jusqu’à 50 téraoctets de données par jour.
L’équipe de Lichtman a travaillé avec Google au cours des dernières années sur des techniques de traitement d’images qui leur permettent de donner rapidement un sens à de grandes quantités de données. Les ingénieurs dirigés par Viren Jain, co-chercheur de la subvention, appliqueront des algorithmes d’intelligence artificielle à ces images cérébrales pour catégoriser et coder par couleur les cellules nerveuses et les synapses. Google contribuera également à partager publiquement cette énorme carte cérébrale.
« Nous prévoyons d’utiliser notre expérience en matière de reconstruction informatique et d’analyse de données de microscopie électronique à grande échelle, ainsi que l’infrastructure de traitement de données hautement évolutive de Google, afin de permettre la connectomique de la souris à une échelle sans précédent », a déclaré Jain de Google. « Nous avons travaillé en étroite collaboration avec le laboratoire de Jeff pendant cinq ans, et cette collaboration a été très fructueuse en repoussant les frontières des neurosciences à forte intensité de données. »
