Des scientifiques sont parvenus pour la première fois à établir le schéma des connexions synaptiques dans le cerveau d’un insecte qui possède 100 000 neurones, une prouesse pour mieux comprendre le cerveau humain et promouvoir l’Intelligence Artificielle.
Un groupe de chercheurs a produit le premier diagramme de connexions neuronales, mieux connu sous le nom de connectomedu cerveau entier d’une larve de mouche du vinaigre (Drosophila melanogaster), un cerveau qui à l’état adulte ne compte pas plus de 100 000 neurones.
Un connectome est l’équivalent cérébral de ce que le génome est au code génétique : il détaille, à différentes échelles, toutes les connexions qui existent non seulement entre les neurones, mais aussi entre les aires cérébrales. Il est inclus dans le connectomiqueune nouvelle neurotechnologie développée pour reconstruire systématiquement le cerveau de différents animaux.
Le connectome de cet insecte a un pertinence supplémentaire parce que la mouche des fruits a attiré l’attention des scientifiques après qu’une enquête menée l’année dernière par l’Université de Californie à San Diego a découvert que ces insectes présentent une capacité d’attention, une mémoire de travail et une conscience inattendues, comme le rapportent leurs auteurs dans un article publié dans la revue Nature .
révolution neuroscientifique
Le travail sur le connectome de la mouche des fruits, qui, selon ses créateurs, inspirera de nouvelles études sur les circuits neuronaux et les architectures d’apprentissage automatique, a maintenant été publié dans la revue Science.
Ce connectome fournit non seulement une carte de résolution synaptique du cerveau des larves d’insectes, mais développe également une méthodologie pour l’analyse complète des connectomes à grande échelle, ce qui renforce son importance scientifique : il peut même révolutionner les neurosciencesprévient le neurobiologiste rafael yustede l’Université de Columbia, s’adressant à SMC.
Il souligne que, par le passé, les cartes du cerveau de la drosophile ont déjà donné lieu à plusieurs études de premier ordre expliquant le mécanisme de traitement de l’information de ses circuits neuronaux. Le connectome représente désormais une escalade significative dans la connaissance et la description des mécanismes cérébraux.
Comme un ver, mais pas
Cette carte révèle comment s’organise le système nerveux d’une larve de mouche, qui à ce niveau de développement s’apparente à un ver, bien qu’avec un niveau de complexité plus élevé, explique pour sa part Jean Lermadirecteur du Cajal International Center for Neurosciences (CINC-CSIC).
Il ajoute que ces larves développent des comportements complexes, interagissent, consultent et explorent l’environnement, apprennent et réalisent des comportements moteurs complexes comme la recherche de nourriture, etc., autant de mécanismes qui peuvent nous aider à mieux comprendre le cerveau humain.
Rappelez-vous à cet égard que le mécanisme par lequel une impulsion nerveuse est générée et transmise le long d’un nerf humain est exactement le même que dans le nerf d’un calmar, d’une mouche ou d’une souris. Et qu’en fait, c’est dans le calmar que tous ces mécanismes ont été découverts.
boucles d’apprentissage
Lerma souligne également que l’un des résultats de ces travaux est qu’ils révèlent une innervation récurrente apparente, très abondante et fréquente dans les circuits connus pour avoir à voir avec l’apprentissage.
Il ajoute que ce dérivé donne des indices sur la façon dont la nature organise les éléments neuronaux en boucles pour rendre l’apprentissage possible. Cela signifie que l’existence de cette organisation neuronale confère au système cérébral la capacité de stocker des informations.
Pour cette raison, avec ce connectome nous comprendrons ce que nous pouvons apprendre de cette organisation pour améliorer notre connaissance du cerveau humain, ainsi que la structure des machines et les algorithmes d’apprentissage et l’Intelligence Artificielle qu’elles peuvent utiliser, conclut Lerma.
Une idée qui a également été soulignée par la recherche publiée l’an dernier dans la revue Nature : « étant donné que tous les cerveaux ont évolué à partir d’un ancêtre commun, nous pouvons établir des similitudes entre les régions cérébrales de la mouche des fruits et des mammifères en fonction des caractéristiques moléculaires et de la façon dont nous stockons nos souvenirs ».
carte complète
Les auteurs de la nouvelle enquête, dont il est le premier auteur Michel Bobinagede l’Université de Cambridge, souligne que le connectome qu’ils ont développé est assez complet : il caractérise les types de connexion, les types de neurones, les concentrateurs de réseau et les origines des circuits neuronaux qui existent dans tout le cerveau.
Ils ajoutent que les outils génétiques disponibles dans ce connectome permettront également une visualisation et une manipulation sélectives de types de neurones individuels, ainsi que de tester les performances fonctionnelles de neurones spécifiques et de motifs de circuits révélés par le connectome.
Ils soulignent également que, bien que les détails de l’organisation cérébrale diffèrent dans le règne animal, de nombreuses architectures de circuits sont partagées entre différentes espèces, de sorte que les caractéristiques architecturales décrites dans le connectome de cet insecte seront utiles dans les futures études sur les cerveaux d’invertébrés et de vertébrés.
réseaux génétiques
Un autre dérivé de ce connectome est qu’il sera aussi utile pour le science des réseaux génétiquescar il affiche des fonctionnalités structurelles, notamment des raccourcis multicouches et une récursivité robuste, rappelant les architectures d’apprentissage automatique de l’IA.
Une analyse future de ces similitudes et différences sera utile pour en savoir plus sur les principes de calcul du cerveau et peut-être inspirer de nouvelles architectures d’apprentissage automatique, suggèrent les chercheurs.
Pour cette raison, ils espèrent que ce connectome deviendra une source continue d’hypothèses et d’inspiration pour les recherches futures, tant sur les mécanismes cérébraux naturels qu’artificiels.
Les références
Le connectome d’un cerveau d’insecte. Michael Winding et al. Sciences (2023).
Mécanismes différentiels sous-jacents au conditionnement des traces et des retards chez la drosophile. Dhruv Grover et al. Nature, volume 603, pages 302–308 (2022). DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-022-04433-6