Dévoiler les complexités cachées du cerveau humain

Des chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à haute résolution pour obtenir une image d'un petit morceau de tissu cérébral humain, générant une carte 3D de plus de 57 000 cellules et de près de 150 millions de synapses. Leurs résultats révèlent des détails complexes sur les types de cellules et les connexions, soulignant la complexité du cerveau et faisant progresser le domaine de la connectomique.

• Les chercheurs ont généré une carte haute résolution de toutes les cellules et connexions dans un seul millimètre cube du cerveau humain.
• Les résultats révèlent des détails inédits sur la structure du cerveau et fournissent une ressource pour des études ultérieures.

Pour bien comprendre le fonctionnement du cerveau humain, il faut connaître les relations entre les différentes cellules qui le composent. Cela implique de visualiser la structure du cerveau à l'échelle du nanomètre afin de voir les connexions entre les neurones.

Techniques d'imagerie et méthodologie de recherche

Une équipe de chercheurs, dirigée par le Dr Jeff Lichtman de l'Université Harvard et le Dr Viren Jain de Google Research, a utilisé la microscopie électronique (EM) pour obtenir une image haute résolution d'un morceau de tissu cérébral humain de la taille d'un millimètre cube. Le tissu a été prélevé du cortex cérébral d'un patient dans le cadre d'une intervention chirurgicale pour épilepsie.

L'équipe a commencé par découper le tissu en plus de 5 000 tranches, ou sections, dont chacune a ensuite été imagée par EM. Cela a permis d'obtenir environ 1,4 pétaoctet, soit 1 400 téraoctets, de données. À l'aide de ces données, les chercheurs ont généré une reconstruction 3D de presque toutes les cellules de l'échantillon. Les résultats de l'étude financée par le NIH ont été publiés dans la revue Science.

Des chercheurs ont construit une image 3D de presque tous les neurones et de leurs connexions dans un petit morceau de tissu cérébral humain. Cette image montre six couches de neurones, colorées en fonction de la taille du noyau central de chaque cellule. Crédit : Google Research & Lichtman Lab, Harvard University. Rendu par D. Berger, Harvard

Résultats détaillés et analyse cellulaire

L'analyse des cellules individuelles de l'échantillon a révélé un total de plus de 57 000 cellules. La plupart d'entre elles étaient soit des neurones, qui envoient des signaux électriques, soit des cellules gliales, qui fournissent diverses fonctions de soutien aux neurones. Les cellules gliales étaient deux fois plus nombreuses que les neurones. Les cellules gliales les plus courantes étaient les oligodendrocytes, qui fournissent un soutien structurel et une isolation électrique aux neurones. L'échantillon d'un millimètre cube contenait également environ 230 mm de vaisseaux sanguins.

La reconstruction a révélé des détails structurels jamais vus auparavant. Les chercheurs ont analysé un type de neurone, appelé cellules triangulaires, qui se trouvent dans la couche la plus profonde du cortex cérébral. Beaucoup d'entre elles adoptaient l'une des deux orientations, qui étaient des images miroir l'une de l'autre. La signification de cette organisation reste inconnue.

Synapses et connexions

L'équipe a utilisé apprentissage automatique pour identifier les synapses, les jonctions par lesquelles les signaux passent d'une cellule à une autre. Ils ont trouvé près de 150 millions de synapses. Presque tous les neurones n'en formaient qu'une seule. synapse avec une cellule cible donnée. Mais une petite fraction a formé deux ou plusieurs synapses vers la même cible.

Dans au moins un cas, plus de 50 synapses reliaient une seule paire de cellules. Bien que rares, les connexions de sept synapses ou plus entre cellules étaient beaucoup plus fréquentes que ce que le hasard aurait pu laisser supposer. Cela suggère que ces connexions fortes ont une certaine signification fonctionnelle.

Connectomique et complexité du cerveau

Ces résultats illustrent la complexité du cerveau au niveau cellulaire. Ils montrent également l’intérêt de la connectomique, la science qui permet de générer des cartes complètes des connexions entre les cellules cérébrales, pour comprendre le fonctionnement du cerveau.

« Le mot « fragment » est ironique », explique Lichtman. « Pour la plupart des gens, un téraoctet est gigantesque, mais un fragment de cerveau humain – un minuscule morceau de cerveau humain – représente tout de même des milliers de téraoctets. »

L’équipe a mis son ensemble de données à la disposition du public. Elle a également fourni divers outils logiciels pour aider à examiner la carte cérébrale. L’espoir est qu’une étude plus approfondie des données, par cette équipe et d’autres, apportera de nouvelles perspectives sur le fonctionnement du cerveau humain.

« Cette avancée incroyable – la capacité de capturer et de traiter plus de 1 000 téraoctets de données cérébrales – n’aurait pas été possible sans le don généreux d’un participant à l’étude et les partenariats importants entre neuroscientifiques, informaticiens et ingénieurs », explique le Dr John Ngai, directeur de l’initiative BRAIN du NIH. « Ces collaborations sont essentielles à notre objectif de construire une carte complète du cerveau humain afin de pouvoir proposer des traitements plus rapidement que possible. »

Pour en savoir plus sur cette recherche :

• Harvard et Google créent une carte cérébrale 3D extrêmement détaillée de 1 400 téraoctets
• La cartographie 3D à l'échelle nanométrique révèle des informations révolutionnaires sur la structure du cerveau