Une équipe de scientifiques soutenue par l’initiative BRAIN des National Institutes of Health (NIH), comprenant Davi Bock, Ph.D., professeur agrégé de sciences neurologiques au Robert Larner, MD College of Medicine de l’UVM, a récemment réalisé des progrès substantiels dans recherches neurobiologiques en cartographiant avec succès l’ensemble du cerveau de Drosophila melanogaster, plus communément appelée mouche des fruits.
L’étude, intitulée « Annotation du cerveau entier et typage cellulaire multi-connectome de la drosophile », publié dans Naturea établi un « atlas consensuel des types de cellules », ou un guide complet, pour comprendre les différents types de cellules dans le cerveau de la mouche des fruits. Le cerveau de la mouche des fruits contient environ 130 000 neurones (le cerveau humain en contient 86 milliards ; les souris, qui remplacent souvent les humains dans la recherche et les tests scientifiques, possèdent 100 millions de neurones).
L’ensemble de données de microscopie électronique sous-jacent au connectome du cerveau entier (connu sous le nom de FAFB, ou « Full Adult Fly Brain ») utilise les formes détaillées de chaque neurone du cerveau de la mouche ainsi que toutes les connexions synaptiques entre eux pour identifier et cataloguer tous les types de cellules. dans le cerveau.
Cette carte complète aidera les chercheurs à identifier comment différents circuits fonctionnent ensemble pour contrôler des comportements tels que le contrôle moteur, la parade nuptiale, la prise de décision, la mémoire, l’apprentissage et la navigation.
« Si nous voulons comprendre le fonctionnement du cerveau, nous avons besoin d’une compréhension mécaniste de la façon dont tous les neurones s’assemblent et vous permettent de réfléchir », a fait remarquer Gregory Jefferis, Ph.D., co-responsable de l’étude.
« Pour la plupart des cerveaux, nous n’avons aucune idée du fonctionnement de ces réseaux. Maintenant, pour le coup, nous avons ce schéma de câblage complet, une étape clé dans la compréhension des fonctions cérébrales complexes. En fait, en utilisant nos données, partagées en ligne pendant que nous travaillions, d’autres scientifiques ont déjà commencé à essayer de simuler la façon dont le cerveau de la mouche réagit au monde extérieur. »
« Pour commencer à simuler numériquement le cerveau, nous devons connaître non seulement la structure du cerveau, mais également comment les neurones fonctionnent pour s’activer et se désactiver », a déclaré Jefferis.
« En utilisant nos données, qui ont été partagées en ligne pendant que nous travaillions, d’autres scientifiques ont déjà commencé à essayer de simuler la façon dont le cerveau de la mouche réagit au monde extérieur. C’est un début important, mais nous devrons collecter de nombreux types de données différents pour produire des simulations fiables du fonctionnement d’un cerveau.
Alors que des études similaires ont été réalisées avec des organismes plus simples, tels que le ver nématode C. elegans et le stade larvaire de la mouche des fruits, la mouche des fruits adulte offre des comportements plus complexes à étudier. Bien que le cerveau de la mouche des fruits soit clairement moins complexe que celui d’un humain, ou même d’une souris, les implications de l’étude sont profondes.
Il existe d’énormes points communs dans la manière dont les circuits neuronaux de toutes les espèces traitent l’information ; ce travail permet d’identifier les principes du traitement de l’information dans un organisme modèle plus simple, puis de les rechercher dans des cerveaux plus grands.
Bock note que les scientifiques sont actuellement incapables d’étendre cette approche au cerveau humain, mais affirme que cette réalisation représente une étape remarquable vers le connectome complet du cerveau de souris.
« Ce type de travail [being done across this field of connectomics] fait progresser l’état de l’art d’une manière qui ne se produit qu’une fois par siècle, nous permettant à la fois de cartographier les formes et les connexions de chaque neurone individuel dans le cerveau complet d’un animal assez sophistiqué, la mouche des fruits adulte, et d’annoter et d’exploiter la connexion qui en résulte avec des logiciels d’analyse de pointe », a déclaré Bock.
« Ni la microscopie optique, même avec une fluorescence multicolore, ni la méthode classique de Golgi et ses approches alliées n’ont fourni cette capacité.
« Réaliser cet exploit à l’échelle du cerveau entier d’un organisme modèle génétique important tel que la mouche des fruits représente une avancée remarquable dans le domaine. »
Cette étude exploite les outils et les données générés par le Consortium FlyWirequi comprend des responsables d’études tels que Bock de l’UVM ; Gregory Jefferis, Ph.D., et Philipp Schlegel, Ph.D., du laboratoire MRC de biologie moléculaire et de l’Université de Cambridge ; et Sebastian Seung, Ph.D. et Mala Murthy, Ph.D., de l’Université de Princeton.
Le consortium a utilisé des images cérébrales au microscope électronique générées précédemment dans le laboratoire de Bock pour créer une carte détaillée des connexions entre les neurones dans l’ensemble du cerveau adulte d’une mouche des fruits femelle. Cette carte comprend environ 50 millions de synapses chimiques entre les 139 255 neurones susmentionnés de la mouche.
Les chercheurs ont également ajouté des informations sur différents types de cellules, de nerfs, de lignées de développement et des prédictions sur les neurotransmetteurs utilisés par les neurones. L’outil d’analyse de données en libre accès Connectome Data Explorer de FlyWire est accessible et disponible en téléchargement, et peut être parcouru de manière interactive, le tout dans un esprit d’encouragement de la science en équipe. Ce travail est détaillé dans un document d’accompagnement Nature article, « Schéma de câblage neuronal d’un cerveau adulte ».
« Nous avons rendu l’intégralité de la base de données ouverte et accessible gratuitement à tous les chercheurs. Nous espérons que cela sera transformateur pour les neuroscientifiques qui tentent de mieux comprendre le fonctionnement d’un cerveau sain », a déclaré Murthy. « À l’avenir, nous espérons qu’il sera possible de comparer ce qui se passe lorsque les choses tournent mal dans notre cerveau, par exemple en cas de problèmes de santé mentale. »
En traçant les connexions des cellules sensorielles aux motoneurones, les chercheurs peuvent découvrir des mécanismes de circuits potentiels qui contrôlent les comportements des mouches des fruits, marquant ainsi une étape cruciale vers la compréhension des complexités de la cognition et du comportement humains.
« La petite mouche des fruits est étonnamment sophistiquée et a longtemps servi de modèle puissant pour comprendre les fondements biologiques du comportement », a déclaré John Ngai, Ph.D., directeur du NIH. L’Initiative CERVEAU.
« Cette étape importante fournit non seulement aux chercheurs un nouvel ensemble d’outils pour comprendre comment les circuits du cerveau déterminent le comportement, mais sert surtout de précurseur aux efforts en cours visant à cartographier les connexions des plus grands cerveaux de mammifères et d’humains. »
Plus d’informations :
Annotation du cerveau entier et typage cellulaire multi-connectome de drosophile, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07686-5, www.nature.com/articles/s41586-024-07686-5
Schéma de câblage neuronal d’un cerveau adulte, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07558-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07558-y