Les études sur le cerveau de la souris améliorent la compréhension des esprits humains

Les chercheurs de Google viennent de dévoiler une carte incroyablement détaillée du cerveau humain, se concentrant sur une minuscule mais significative partie : seulement 1 millimètre cube de tissu cérébral, à peu près la taille de la moitié d’un grain de riz. Cette carte, qui a nécessité 1,4 pétaoctets de données pour être encodée, montre des neurones individuels et leurs connexions complexes avec une clarté remarquable.

Bien qu’il s’agisse d’une infime partie du cerveau, la carte a conduit à des découvertes étonnantes. « Par exemple, nous avons remarqué que certains fils neuronaux se tordaient en d’énormes nœuds », explique Viren Jain, scientifique chez Google Research. « Nous n’avons aucune idée de pourquoi cela se produit — c’est quelque chose que personne n’avait vu auparavant. »

Maintenant, Viren et son équipe se concentrent sur le cerveau des souris, et pour une raison convaincante. Ces petits mammifères pourraient détenir la clé pour percer certains des mystères les plus profonds de notre propre esprit. Des questions comme : Comment stockons-nous et récupérons-nous les souvenirs ? Comment reconnaissons-nous les objets et les visages ? Pourquoi avons-nous besoin de tant de sommeil ? Et que se passe-t-il en cas de dysfonctionnements dans des conditions comme Alzheimer et autres maladies cérébrales ?

« La principale raison pour laquelle nous manquons de réponses à ces questions est que nous n’avons toujours pas les données cruciales pour étudier le cerveau », explique Viren.

Le cerveau humain, avec ses 86 milliards de neurones et plus de 100 trillions de synapses, est la machinerie complexe derrière nos pensées, émotions, mouvements et interactions avec le monde. En cartographiant ces connexions neurales, ou le « connectome », nous pouvons obtenir des informations sur le fonctionnement de nos cerveaux et sur les raisons pour lesquelles ils dysfonctionnent parfois.

Créer des cartes détaillées au niveau synaptique n’est pas une mince affaire ; cela nécessite d’imager le cerveau à une résolution nanométrique et de gérer d’énormes volumes de données. C’est un défi technique qui exige une innovation continue dans l’imagerie, les algorithmes d’IA et les outils de gestion de données. C’est pourquoi, il y a dix ans, Google Research a créé son équipe de Connectomics.

Au cours des dix dernières années, l’équipe a fait des progrès significatifs dans le développement de technologies pour traiter, analyser et partager les données plus efficacement, accélérant considérablement notre compréhension du cerveau. Par exemple, ils ont introduit des réseaux de remplissage par inondation, qui automatisent le traçage des neurones à travers des images cérébrales en utilisant l’apprentissage automatique, éliminant le besoin de coloration manuelle. Ils ont également développé l’algorithme SegCLR pour identifier automatiquement différentes parties des cellules et types de cellules au sein de ces réseaux. De plus, ils ont créé des logiciels comme TensorStore et Neuroglancer pour aider à stocker, traiter et visualiser de grandes images et volumes multidimensionnels.

Cependant, cartographier l’ensemble du connectome du cerveau humain reste un objectif lointain. Cela nécessiterait d’analyser jusqu’à un zettaoctet de données — un milliard de téraoctets — ce qui est actuellement hors de notre portée technologique. « Cartographier l’ensemble du cerveau humain maintenant coûterait des milliards de dollars et prendrait des centaines d’années », admet Viren.

En conséquence, les chercheurs se concentrent soit sur la cartographie de plus grandes portions des cerveaux de petits animaux, soit sur de plus petites sections des cerveaux de grands animaux. En 2020, l’équipe de Connectomics a réussi à cartographier la moitié du cerveau d’une mouche à fruits, révélant des connexions entre 25 000 neurones. Des collaborations avec d’autres chercheurs ont également conduit à la création de connectomes pour des parties des cerveaux de pinsons zébrés et de larves de poissons-zèbres. Et en mai, la carte détaillée de 1 millimètre cube de tissu cérébral humain a été publiée dans Science.

Les ensembles de données de ces projets ont été utilisés par des milliers de chercheurs dans le monde entier, conduisant à des centaines de découvertes publiées.

Les chercheurs ont construit une image 3D de presque tous les neurones et de leurs connexions au sein d’un petit morceau de tissu cérébral humain. L’image supérieure montre les neurones excitateurs, éclairés en jaune, tandis que l’image inférieure affiche les neurones inhibiteurs, mis en évidence en bleu.

L’équipe de Connectomics collabore actuellement avec des partenaires à Harvard, Princeton et d’autres institutions pour cartographier l’hippocampe de la souris — la région cérébrale responsable de la formation de la mémoire, de l’attention et de la navigation spatiale, représentant 2 à 3 % de l’ensemble du cerveau de la souris.

Sans les moyens de cartographier l’ensemble du cerveau humain, analyser un connectome de souris est une étape pratique suivante. Il est assez petit pour être réalisable et pourrait fournir des informations applicables aux cerveaux humains. « Lorsque vous examinez un cerveau de souris sous un microscope électronique, il ressemble remarquablement à un cerveau humain. C’est essentiellement une version miniature », explique Jeff W. Lichtman, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à Harvard. C’est pourquoi les souris sont souvent utilisées pour étudier les troubles cérébraux humains.

Les souris représentent la dernière frontière en connectomics, mais les neuroscientifiques cartographient des cerveaux de plus en plus complexes depuis des décennies. Le premier connectome était celui du cerveau d’un ver, publié en 1986 après 16 ans de travail.

Bien que le cerveau d’une souris soit 1 000 fois plus petit que celui d’un humain, le cartographier reste un défi technique redoutable. L’ensemble de données d’un seul connectome de cerveau de souris à une résolution nanométrique pourrait être le plus grand ensemble de données biologiques jamais créé, estimé à 20 000 à 30 000 téraoctets.

« Non seulement l’acquisition des données est un défi, mais leur stockage et leur traitement précis en est un autre », note Viren. « Notre contribution unique a été de développer des outils qui repoussent les limites de la précision et de les appliquer à des ensembles de données de plus en plus grands. »

En cas de succès, le projet de cerveau de souris de l’équipe de Connectomics sera la première fois que des scientifiques auront cartographié une partie de l’hippocampe d’un mammifère et la plus grande section de cerveau jamais tentée d’être cartographiée.

« La recherche fondamentale est incroyablement précieuse », conclut Viren. « Ce qui m’excite, c’est la perspective de comprendre un jour précisément comment les souvenirs sont formés et ce qui cause les troubles mentaux ou les maladies. Mais pour y parvenir, nous devons continuer à faire avancer la technologie de manière qui aurait été inimaginable il y a seulement quelques décennies. »