Les études sur le cerveau de la souris améliorent la compréhension des esprits humains

Les chercheurs de Google viennent de dévoiler une carte incroyablement détaillée du cerveau humain, en se concentrant sur une pièce minuscule mais significative: seulement 1 millimètre cube de tissu cérébral, à peu près la taille d'un demi-grain de riz. Cette carte, qui nécessitait un 1,4 pétaoctet de données à coder, présente des neurones individuels et leurs connexions complexes avec une clarté remarquable.

Même si c'est une partie minuscule du cerveau, la carte a conduit à des découvertes étonnantes. "Par exemple, nous avons remarqué que certains des fils neuronaux se tournaient vers ces nœuds massifs", explique Viren Jain, chercheur de Google. "Nous ne savons pas pourquoi cela se produit - c'est quelque chose que personne n'a été vu auparavant."

Maintenant, Viren et son équipe se concentrent sur le cerveau des souris et pour une raison impérieuse. Ces petits mammifères pourraient bien tenir la clé pour débloquer certains des mystères les plus profonds de notre propre esprit. Des questions comme: Comment stockons-nous et récupérons-nous des souvenirs? Comment reconnaissons-nous les objets et les visages? Pourquoi avons-nous besoin autant de sommeil? Et que fait des dysfonctionnements dans des conditions comme la maladie d'Alzheimer et d'autres maladies cérébrales?

"La principale raison pour laquelle nous manquons de réponses à ces questions est que nous manquons toujours des données cruciales pour étudier le cerveau", explique Viren.

Le cerveau humain, avec ses 86 milliards de neurones et plus de 100 billions de synapses, est la machinerie complexe derrière nos pensées, nos émotions, nos mouvements et nos interactions avec le monde. En cartographiant ces connexions neuronales, ou le «connectome», nous pouvons mieux comprendre le fonctionnement de notre cerveau et pourquoi ils ne le font pas parfois.

Créer des cartes détaillées au niveau synaptique n'est pas une mince affaire; Il nécessite de l'imagerie du cerveau à la résolution nanométrique et de manipuler d'énormes volumes de données. C'est un défi technique qui exige l'innovation continue dans l'imagerie, les algorithmes d'IA et les outils de gestion des données. C'est pourquoi, il y a une décennie, Google Research a établi son équipe Connectomics.

Au cours des dix dernières années, l'équipe a fait des progrès importants dans le développement de technologies pour traiter, analyser et partager des données plus efficacement, accélérant considérablement notre compréhension du cerveau. Par exemple, ils ont introduit des réseaux de remplissage d'inondation, qui automatisent le traçage des neurones à travers les images du cerveau en utilisant l'apprentissage automatique, éliminant le besoin de coloration manuelle. Ils ont également développé l'algorithme SEGCLR pour identifier automatiquement différentes parties de cellules et de types de cellules dans ces réseaux. De plus, ils ont créé des logiciels comme Tensorstore et Neuroglancer pour aider à stocker, traiter et visualiser les grandes images et volumes multidimensionnels.

Cependant, la cartographie de l'ensemble du connexion du cerveau humain reste un objectif lointain. Il faudrait analyser jusqu'à un zettabyte de données - un milliard de téraoctets - qui est actuellement hors de notre portée technologique. "La cartographie du cerveau humain en ce moment prendrait actuellement des milliards de dollars et des centaines d'années", admet Viren.

En conséquence, les chercheurs se concentrent sur la cartographie des plus grandes parties de cerveaux des petits animaux ou de plus petites sections de cerveau des animaux plus gros. En 2020, l'équipe Connectomics a cartographié avec succès la moitié du cerveau d'une mouche des fruits, découvrant les connexions entre 25 000 neurones. Les collaborations avec d'autres chercheurs ont également conduit à la création de connexions pour certaines parties du pinson zébré et du cerveau de larves de poisson zèbre. Et en mai, la carte détaillée de 1 millimètre cube de tissu cérébral humain a été publiée dans Science .

Les ensembles de données de ces projets ont été utilisés par des milliers de chercheurs du monde entier, ce qui a conduit à des centaines de découvertes publiées.

Les chercheurs ont construit une image 3D de presque tous les neurones et leurs connexions dans un petit morceau de tissu cérébral humain. L'image du haut montre les neurones excitateurs, illuminés en jaune, tandis que l'image inférieure affiche des neurones inhibiteurs, mis en évidence en bleu.

L'équipe Connectomics collabore actuellement avec des partenaires de Harvard, Princeton et d'autres institutions pour cartographier l'hippocampe de la souris - la région du cerveau responsable de la formation de la mémoire, de l'attention et de la navigation spatiale, comprenant 2 à 3% de l'ensemble du cerveau de souris.

Sans les moyens de cartographier l'ensemble du cerveau humain, l'analyse d'un connexion de souris est une prochaine étape pratique. Il est assez petit pour être possible et pourrait donner des informations applicables au cerveau humain. "Lorsque vous examinez un cerveau de souris au microscope électronique, il ressemble remarquablement à un cerveau humain. C'est essentiellement une version miniature", explique Jeff W. Lichtman, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à Harvard. C'est pourquoi les souris sont souvent utilisées pour étudier les troubles du cerveau humain.

Les souris représentent la dernière frontière de la connexion, mais les neuroscientifiques cartographiaient des cerveaux de plus en plus complexes depuis des décennies. Le premier Connectome était du cerveau d'un ver, publié en 1986 après 16 ans de travail.

Même si un cerveau de souris est 1 000 fois plus petit qu'un cerveau humain, la cartographie reste un formidable défi technique. L'ensemble de données d'un seul connexion cérébrale de souris à la résolution nanométrique pourrait être le plus grand ensemble de données biologiques de tous les temps, estimé à 20 000 à 30 000 téraoctets.

"Non seulement l'acquisition des données est un défi, mais le stockage et le traitement avec précision est un autre obstacle", note Viren. "Notre contribution unique a été de développer des outils qui repoussent les limites de la précision et de les appliquer à des ensembles de données de plus en plus grands."

En cas de succès, le projet de souris de l'équipe Connectomics sera la première fois que les scientifiques mappéront une partie d'un hippocampe mammifère et la plus grande section cérébrale jamais tentée d'être cartographiée.

"La recherche fondamentale est incroyablement précieuse", conclut Viren. "Ce qui m'excite, c'est la perspective d'un jour comprendre précisément comment les souvenirs se forment et ce qui provoque des troubles mentaux ou des maladies. Mais pour y parvenir, nous devons continuer à faire progresser la technologie d'une manière qui aurait été inimaginable il y a quelques décennies."