Six couches de neurones excitateurs codées par couleur selon la profondeur. Crédit : Google Research et Lichtman Lab
Un effort de collaboration entre Harvard et Google a conduit à une percée dans la science du cerveau, produisant une carte 3D complète d'un minuscule segment du cerveau humain, révélant des interactions neuronales complexes et jetant les bases de la cartographie d'un cerveau de souris entier.
Un millimètre cube de tissu cérébral peut sembler peu. Mais si l’on considère que ce petit carré contient 57 000 cellules, 230 millimètres de vaisseaux sanguins et 150 millions de synapses, le tout représentant 1 400 téraoctets de données, les chercheurs de Harvard et de Google viennent d’accomplir quelque chose d’énorme.
Une équipe de Harvard dirigée par Jeff Lichtman, professeur Jeremy R. Knowles de biologie moléculaire et cellulaire et nouvellement nommé doyen de la science, a co-créé avec des chercheurs de Google la plus grande reconstruction 3D à résolution synaptique d'un morceau de cerveau humain à ce jour. montrant avec des détails saisissants chaque cellule et son réseau de connexions neuronales dans un morceau du cortex temporal humain environ la moitié de la taille d'un grain de riz.
Avancées technologiques en neurosciences
L'exploit impressionnant, publié dans la revue Science, est la dernière d'une collaboration de près de 10 ans avec des scientifiques de Google Research, qui combinent l'imagerie par microscopie électronique de Lichtman avec des algorithmes d'IA pour coder par couleur et reconstruire le câblage extrêmement complexe du cerveau des mammifères. Les trois co-premiers auteurs de l'article sont Alexander Shapson-Coe, ancien chercheur postdoctoral à Harvard ; Michał Januszewski de Google Research et Daniel Berger, chercheur postdoctoral à Harvard.
L'objectif ultime de cette collaboration, soutenue par l'Initiative BRAIN des National Institutes of Health, est de créer une carte haute résolution du câblage neuronal complet du cerveau d'une souris, ce qui impliquerait environ 1 000 fois la quantité de données qu'ils viennent de produire à partir du cerveau d'une souris. Fragment millimétrique du cortex humain.
Aperçus de la dernière carte cérébrale
« Le mot 'fragment' est ironique », a déclaré Lichtman. « Un téraoctet est, pour la plupart des gens, gigantesque, mais un fragment de cerveau humain – juste un tout petit morceau de cerveau humain – représente quand même des milliers de téraoctets. »
La dernière carte publiée dans Science contient des détails inédits sur la structure du cerveau, notamment un ensemble rare mais puissant d'axones reliés par jusqu'à 50 synapses. L’équipe a également noté des bizarreries dans les tissus, comme un petit nombre d’axones formant de vastes verticilles. Étant donné que leur échantillon a été prélevé sur un patient épileptique, ils ne savent pas si de telles formations inhabituelles sont pathologiques ou simplement rares.
Le domaine de la connectique
Le domaine de Lichtman est la « connectomique », qui, analogue à la génomique, cherche à créer des catalogues complets de la structure du cerveau, jusqu'aux cellules individuelles et au câblage. De telles cartes complètes ouvriraient la voie à de nouvelles connaissances sur les fonctions cérébrales et les maladies, dont les scientifiques savent encore très peu de choses.
Les algorithmes d'IA de pointe de Google permettent la reconstruction et la cartographie des tissus cérébraux en trois dimensions. L’équipe a également développé une suite d’outils accessibles au public que les chercheurs peuvent utiliser pour examiner et annoter le connectome.
Directions futures
« Compte tenu de l'énorme investissement investi dans ce projet, il était important de présenter les résultats de manière à ce que tout le monde puisse désormais en bénéficier », a déclaré Viren Jain, collaborateur de Google Research.
L’équipe s’attaquera ensuite à la formation hippocampique de la souris, importante pour les neurosciences en raison de son rôle dans la mémoire et les maladies neurologiques.
