Le premier carte 3D complète d’un vrai cerveau, une étape historique qui rapproche les chercheurs de la compréhension du mécanisme par lequel la pensée se produit, est déjà une réalité. Une équipe internationale dirigée par les universités de Cambridge et Johns Hopkins a développé un modèle qui reproduit fidèlement chaque connexion neuronale dans le cerveau d’une larve de mouche des fruits. Cet insecte est considéré comme archétypal en raison de ses similitudes avec l’organisme humain.
« Si nous voulons comprendre comment nous pensons et ce qui fait de nous qui nous sommes, il s’agit de comprendre le mécanisme par lequel les idées sont générées », explique Joshua T. Vogelstein, ingénieur biomédical spécialisé dans connectomique, la science des connexions dans le système nerveux. Comme il l’explique, les chercheurs espèrent inspirer avec l’article qui poster aujourd’hui Science de nouvelles recherches sur les architectures d’apprentissage automatique appliquées à la biologie médicale. « La clé est de savoir comment les neurones se connectent les uns aux autres« .
Le premier projet de cartographie d’un cerveau, celui d’un ver nématodea pris quatorze ans et a été récompensé pour la Prix Nobel en physiologie et médecine pour Sydney Brenner, John Sulston et Bob Horvitz en 2002. Connectomes partiels du système nerveux des mouches, des souris et même êtres humains. Mais ils n’impliquent qu’une infime fraction du cerveau : la plus grande gamme d’une centaine à un millier de neurones, comme ceux d’un ver marin annélide larvaire ou une giclée de mer.
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En revanche, le connectome larvaire de Drosophila melanogaster est non seulement le plus grand mais aussi le plus complexe jamais enregistré. Il l’insecte a 3 016 neurones, qui totalisent 548 000 connexions entre eux. « 50 ans se sont écoulés, et c’est le premier connectome d’un cerveau que nous avons. Tous les travaux précédents nous ont conduits ici », explique Vogelstein. Le travail, précise-t-il, a été extrêmement complexe même avec la technologie la plus moderne. Ha né 12 annéescalculant une journée entière pour produire l’image de chacun des neurones.
Le connectome des relations neurales du cerveau larvaire. Université Johns Hopkins/Université de Cambridge
L’équipe a choisi la mouche des fruits car partage une partie importante de sa biologie fondamentale avec l’homme, incluant une base génétique comparable. C’est aussi un modèle utile pour la neurologie en raison de la grande capacité de l’insecte à apprendre et à prendre des décisions pour modifier son comportement. D’un point de vue pratique, enfin, votre cerveau est suffisamment compact de quoi l’étudier et la reconstituer dans un délai « raisonnable », selon les auteurs. Ainsi, pour tracer le modèle au niveau cellulaire, il est indispensable de le découper en centaines de milliers d’échantillons de tissus cellulaires, dont une image est extraite à l’aide d’un microscope électronique. Après cela viendra le travail de le reconstruire neurone par neurone.
L’équipe de Cambridge a généré les images haute résolution du cerveau et les a analysées manuellement pour détecter à la fois les neurones individuels et la connexion synaptique entre eux. À l’aide de ces données, les scientifiques de Johns Hopkins ont analysé la connectivité cérébrale pendant plus de trois ans. En utilisant des techniques basées sur des modèles de connectivité partagés, ils ont pu localiser amas de neurones et examiné comment l’information peut se propager dans le cerveau. Ainsi, ils ont identifié les régions les plus actives, celles qui ont conduit à la centre d’apprentissage et ceux qui l’ont abandonné.
Ces méthodes développées pour le travail sont valables pour tout autre projet neurologique, et leur code est disponible pour ceux qui veulent l’essayer avec le cerveau de la souris, un million de fois plus grand que celle de la larve. « Ce que nous avons appris sur le code de la mouche des fruits a des implications pour les humains », explique Vogelstein. « C’est ce que nous voulons comprendre : comment écrire un programme qui fait fonctionner un système cérébral humain». Cependant, les auteurs rappellent qu’ils ont tenu plus d’une décennie avec un simple cerveau. La carte qui est la nôtre, préviennent-ils, risque d’être « hors de portée » de la science à court terme.
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