Il y a un peu plus d’un an, deux équipes scientifiques des États-Unis et du Royaume-Uni ont réussi à cartographier l’intégralité du cerveau de la larve de la mouche des fruits, avec ses 3 000 neurones, une enquête de 12 ans qui a ensuite été rapportée dans la revue Science. Des recherches antérieures avaient également montré la cartographie de l’organe d’un ver C. elegans, qui contient 302 neurones.
Cette semaine, c’est le magazine Nature qui rend compte de la carte complète du cerveau d’un spécimen adulte mouche des fruits, plusieurs ordres de grandeur plus complexe, avec 139 255 neurones et environ 50 millions de synapses qui les relient. Il s’agit du premier schéma de câblage (ou connectome) de l’ensemble du cerveau de cet insecte, Drosophila melanogaster, un organisme modèle typique en biologie.
Cette réalisation a été réalisée grâce à une collaboration internationale de spécialistes, appelée Consortium FlyWirequi comprend des chercheurs du Royaume-Uni, des États-Unis, d’Australie, de France, d’Allemagne, d’Israël, de Corée, des Philippines, de Pologne, du Portugal, de Porto Rico, de Suisse et de Taiwan.
Alors que certains groupes se sont concentrés sur les connexions, d’autres ont identifié dans ledit connectome plus de 8 400 types de cellulesdont 4 581 nouveaux. Enfin, d’autres travaux de la collection mettent en lumière la façon dont la connectivité entre des neurones spécifiques détermine des comportements tels que la communication entre les régions du cerveau ou le mouvement. Au total, neuf articles ont été publiés.
Comprendre les plus gros cerveaux
mouches des fruits Ils partagent 60% de l’ADN humainet trois maladies génétiques humaines sur quatre ont un parallèle. Par conséquent, comprendre leur cerveau est une autre étape vers la compréhension du cerveau d’espèces plus grandes et plus complexes, comme les humains, soulignent les auteurs.
« Votre cerveau peut paraître minuscule – il possède environ un million de neurones de moins que l’organe humain – mais une mouche des fruits peut voir, sentir, entendre, marcher et voler. De plus, ils socialisent, naviguent et apprennent de l’expérience », explique Sebastian Seung, chercheur à l’Université de Princeton (États-Unis) et codirecteur, avec Mala Murthy, de l’équipe de recherche de l’Université de Princeton (États-Unis). article principal de cette collection.
« Au cours de la dernière décennie, des progrès révolutionnaires ont été réalisés dans notre connaissance du cerveau de la mouche, et son connectome est fondamental. Bien qu’il soit reconstruit à partir du cerveau d’un spécimen mort, il peut nous fournir des informations précieuses sur le fonctionnement d’un cerveau vivant. « , ajoute-t-il.
Comme l’indique Philip Shiu, chercheur à l’Université de Californie à Berkeley (États-Unis) et responsable d’un autre des nouveaux travaux, « il n’était pas clair dans quelle mesure le connectome nous permettrait de prédire l’activité neuronale, mais nous avons découvert que vraiment nous permet de prédire et de comprendre le fonctionnement du cerveau« .
Premier connectome d’un animal aussi complexe
La carte a été construite à partir de 21 millions d’images prises du cerveau d’une femelle Drosophila melanogaster. Puisqu’il existe des différences dans la structure neuronale des mouches mâles et femelles, les chercheurs ont il est prévu de caractériser également un organe masculin à l’avenir.
Grâce à un modèle d’intelligence artificielle, les bosses et les taches de ces images sont devenues une carte 3D étiquetée. « Nous n’aurions pas pu y parvenir sans automatiser l’analyse. Mais au stade final, nous avons également besoin de l’intelligence humaine, car l’IA commet encore des erreurs de temps en temps. Une équipe d’humains a trouvé et corrigé ces erreurs pour produire le connectome final, » affirme-t-il. Seung.
En comparant le schéma cérébral avec des schémas précédents plus simples, les chercheurs ont découvert qu’environ 0,5 % des neurones présentent des variations de développement qui pourraient provoquer mauvaises connexions entre eux. Les experts affirment qu’il s’agira d’un domaine de recherche important pour comprendre si ces changements sont liés à troubles cérébraux.
« Il n’existe aucun autre connectome cérébral complet d’un animal adulte d’une telle complexité », explique Murthy, directeur de l’Institut des neurosciences de Princeton. « Nous avons mis le base de données accessible à tous les chercheurs ouvertement et gratuitement. À l’avenir, nous espérons qu’il sera possible de comparer ce qui se passe, par exemple, dans le cas des maladies mentales », ajoute-t-il.
Simulation de la fonction cérébrale
C’est aussi le première carte du câblage cérébral complet qui prédit la fonction de toutes les connexions entre les neurones. Il existe deux manières principales par lesquelles ceux-ci communiquent à travers les synapses : excitatrice (favorisant la poursuite du signal électrique dans le neurone récepteur) ou inhibitrice (réduisant la probabilité que le neurone suivant transmette des signaux).
Les auteurs ont également utilisé Technologie de numérisation d’images IA pour prédire si chaque synapse était inhibitrice ou excitatrice. « Pour commencer à simuler numériquement le cerveau, nous devons connaître non seulement sa structure, mais aussi comment les neurones fonctionnent pour s’activer et se désactiver les uns les autres », explique Gregory Jefferis, chercheur à l’Université de Cambridge (Royaume-Uni) et auteur principal de plusieurs études. des études.
« Sans une connaissance détaillée de la manière dont les neurones se connectent les uns aux autres, nous n’aurons pas une compréhension de base de ce qui se passe bien dans un cerveau sain ou de ce qui ne va pas en cas de maladie », déclare John Ngai, directeur du Initiative CERVEAU du National Institutes of Health (NIH) des États-Unis, qui a partiellement financé le projet FlyWire.
Futures pistes de recherche
Étant donné que jeÀ mesure que les connectomes deviennent plus abordables et plus rapides à générer, vous verrez probablement le nombre de ces schémas de câblage de mouches et autres petits animaux monter en flèche dans les années à venir.
« Obtenez un le connectome de la souris et, au fil du temps, le connectome humain seront incroyablement précieux. « Nous pouvons imaginer un monde dans lequel nous pourrions simuler le cerveau d’une souris ou, plus encore, celui d’un être humain, et obtenir des informations fondamentales sur les causes de divers troubles mentaux et sur le fonctionnement du cerveau », insiste Shiu.
« En modélisant de mieux en mieux les neurones, nous pourrons peut-être prédire le fonctionnement du cerveau à une échelle vraiment impressionnante », conclut le scientifique.