Des scientifiques de Google Research et de l’Université Harvard ont reconstitué un millimètre cube de tissu cérébral humainune quantité de matière organique suffisante pour contenir 57 000 cellules, 230 millimètres de vaisseaux sanguins et 150 millions de synapses. Au total, ce fragment du cerveau est capable de stocker 1 400 téraoctets de donnéescomme expliqué dans l’article publié dans la revue Science.
L’équipe dirigée par Jeff Lichtman, doyen de la faculté des sciences et professeur Jeremy R. Knowles de biologie moléculaire et cellulaire à Harvard, a travaillé avec des spécialistes de Google pour développer la plus grande reconstruction 3D d’une région du cerveau humain. Le genre de précision nanométriquenous permet d’étudier en détail les connexions synaptiques, les cellules individuelles et leur réseau de connexions neuronales dans un fragment du lobe temporal de la taille de demi-grain de riz.
Le cap scientifique a été franchi grâce à la collaboration au cours de la dernière décennie entre le laboratoire Lichtman, qui a fourni les images obtenues avec son microscopes électroniques, et les algorithmes d’intelligence artificielle de Google, qui permettent le codage couleur et la reconstruction des connexions extrêmement complexes du cerveau des mammifères. Ils ont eu besoin 1,4 pétaoctets -équivalent à 1 400 000 000 000 000 bits- pour terminer le travail.
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Le but ultime de cette collaboration est compléter l’atlas cérébral, cellule par cellule et neurone par neurone, d’une souris, un projet qui fait partie de l’initiative BRAIN des National Institutes of Health des États-Unis. Et bien que les ressources de données utilisées pour reconstruire le millimètre cube du cortex cérébral humain aient été énormes, l’objectif nécessitera mille fois plus de ce qui a été utilisé jusqu’à présent.
« Parler de ‘fragment’ semble ironique, si l’on pense qu’un téraoctet – équivalent à 1 000 000 000 000 de bits – est quelque chose de gigantesque pour la plupart des gens », déclare Lichtman. « Et pourtant, un tout petit, un petit morceau de cerveau humain est déjà capable d’en stocker des milliers« La recréation du cortex temporal a également permis aux chercheurs de découvrir des aspects inconnus jusqu’à présent, comme le nombre disproportionné de cellules gliales par rapport aux neurones qu’il abrite.
De plus, ils ont révélé plus de détails sur une structure cérébrale à peine connue, un faisceau d’axones puissant -les « bras » des neurones- connectés avec 50 synapses. Ils ont également découvert des irrégularités dans les tissus cérébraux, comme le fait qu’un petit nombre d’axones ouvert en forme de tige. Les chercheurs soulignent que l’échantillon de cerveau qu’ils ont pris comme modèle provenait d’un patient atteint de épilepsieil faudra donc déterminer si ces configurations sont pathologiques ou simplement inhabituelles.
La science des connexions
Tout comme la science possède la « génomique », explique Lichtman, ses travaux cherchent à établir le domaine de «connectique», une discipline qui fonctionne de manière analogue. Leur objectif est de créer des catalogues détaillés des structures cérébrales, depuis les cellules individuelles jusqu’à leurs entrelacements. Une fois réalisées, ces cartes ouvriraient de nouvelles perspectives pour l’étude des fonctions cérébrales et des maladies neurodégénératives sur lesquelles les informations sont encore rares.
De son côté, la contribution de Google Research ne se limite pas à cette étude. L’équipe impliquée a mis gratuitement à la disposition des chercheurs une gamme d’outils basés sur les algorithmes développés dans ce projet. De cette façon, d’autres équipes peuvent explorer et annoter les données du connectome. « Compte tenu de l’énorme investissement dans ce projet, il était essentiel de présenter les données de manière à ce que chacun puisse en bénéficier », expliquent-ils.
Le prochain défi de l’équipe est de recréer le formation hippocampique dans un modèle de souris. Il s’agit d’un processus d’un grand intérêt pour la neurologie, puisqu’il s’agit d’une région cérébrale fortement liée aux mécanismes de la mémoire, ainsi qu’à plusieurs maladies neurologiques.