Des chercheurs de l'Université de Kyushu ont présenté QDyeFinder, un outil d'IA qui améliore la cartographie des neurones dans le cerveau en utilisant un codage couleur avancé et l'apprentissage automatique, montrant un potentiel pour des applications plus larges en biologie.
Les chercheurs ont développé QDyeFinder, un pipeline d’IA capable de démêler et de reconstruire les réseaux neuronaux denses du cerveau.
Le cerveau est l’organe le plus complexe jamais créé. Ses fonctions reposent sur un réseau de dizaines de milliards de neurones très denses, avec des milliards de connexions qui échangent des informations et effectuent des calculs. Essayer de comprendre la complexité du cerveau peut être vertigineux. Néanmoins, si nous espérons un jour comprendre comment fonctionne le cerveau, nous devons être capables de cartographier les neurones et d’étudier leur câblage.
Maintenant, publier dans Nature CommunicationsDes chercheurs de l'université de Kyushu ont développé un nouvel outil d'intelligence artificielle, baptisé QDyeFinder, capable d'identifier et de reconstruire automatiquement des neurones individuels à partir d'images du cerveau de la souris. Le processus consiste à étiqueter les neurones avec un protocole d'étiquetage multicolore, puis à laisser l'IA identifier automatiquement la structure du neurone en faisant correspondre des combinaisons de couleurs similaires.
Crédit : Université de Kyushu/Takeshi Imai
Les défis de la cartographie des neurones
« L’un des plus grands défis des neurosciences est de cartographier le cerveau et ses connexions. Cependant, comme les neurones sont très denses, il est très difficile et chronophage de distinguer les neurones avec leurs axones et leurs dendrites – les extensions qui envoient et reçoivent des informations d’autres neurones – les uns des autres », explique le professeur Takeshi Imai de la Graduate School of Medical Sciences, qui a dirigé l’étude. « Pour mettre les choses en perspective, les axones et les dendrites ne font qu’un micromètre d’épaisseur, soit 100 fois plus fin qu’un cheveu humain standard, et l’espace entre eux est plus petit. »
Une stratégie pour identifier les neurones consiste à marquer la cellule avec une protéine fluorescente d’une couleur spécifique. Les chercheurs peuvent ensuite suivre cette couleur et reconstruire le neurone et ses axones. En élargissant la gamme de couleurs, davantage de neurones peuvent être suivis simultanément. En 2018, Imai et son équipe ont développé Tetbow, un système capable de colorer les neurones avec les trois couleurs primaires de la lumière.
Les neurones pyramidaux de la couche corticale 2/3 de la souris ont été marqués avec du Tetbow à 7 couleurs. Une combinaison de 7 protéines fluorescentes (mTagBFP2, mTurquoise2, mAmetrine1.1, mNeonGreen, Ypet, mRuby3, tdKatushka2) a été utilisée pour visualiser le câblage dense des neurones. Les images à 7 canaux ont ensuite été analysées par le programme QDyeFinder pour révéler les schémas de câblage des neurones individuels. Crédit : Université de Kyushu/Takeshi Imai
« J’aime bien citer comme exemple la carte des lignes de métro de Tokyo. Le réseau comprend 13 lignes, 286 stations et s’étend sur plus de 300 km. Sur la carte du métro, chaque ligne est codée par couleur, ce qui permet d’identifier facilement les stations qui y sont connectées », explique Marcus N. Leiwe, l’un des premiers auteurs de l’étude et professeur adjoint à l’époque. « Tetbow a rendu le traçage des neurones et la recherche de leurs connexions beaucoup plus faciles. »
Cependant, deux problèmes majeurs subsistaient. Les neurones devaient toujours être méticuleusement tracés à la main, et l’utilisation de trois couleurs seulement ne suffisait pas à identifier une population plus importante de neurones.
Avancées technologiques avec QDyeFinder
L’équipe a travaillé pour augmenter le nombre de couleurs de trois à sept, mais le plus gros problème était alors les limites de la perception humaine des couleurs. Regardez attentivement n’importe quel écran de télévision et vous verrez que les pixels sont constitués de trois couleurs : bleu, vert et rouge. Toute couleur que nous pouvons percevoir est une combinaison de ces trois couleurs, car nous avons des capteurs bleu, vert et rouge dans nos yeux.
« Les machines, en revanche, ne connaissent pas de telles limites. C’est pourquoi nous avons travaillé au développement d’un outil capable de distinguer automatiquement ces vastes combinaisons de couleurs », poursuit Leiwe. « Nous avons également fait en sorte que cet outil puisse automatiquement assembler les neurones et les axones de la même couleur et reconstruire leur structure. Nous avons appelé ce système QDyeFinder. »
QDyeFinder fonctionne en identifiant d'abord automatiquement les fragments d'axones et de dendrites dans un échantillon donné. Il identifie ensuite les informations de couleur de chaque fragment. Ensuite, à l'aide d'un algorithme d'apprentissage automatique développé par l'équipe appelé dCrawler, les informations de couleur ont été regroupées, ce qui permet d'identifier les axones et les dendrites du même neurone.
« Lorsque nous avons comparé les résultats de QDyeFinder aux données des neurones tracés manuellement, ils avaient à peu près les mêmes résultats. précision”, explique Leiwe. “Même par rapport aux logiciels de traçage existants qui exploitent pleinement apprentissage automatique« QDyeFinder a pu identifier les axones avec une précision beaucoup plus élevée. »
L’équipe espère que son nouvel outil permettra de faire avancer la quête en cours visant à cartographier les connexions du cerveau. Elle aimerait également voir si sa nouvelle méthode peut être appliquée à l’étiquetage et au suivi d’autres types de cellules complexes, comme les cellules cancéreuses et les cellules immunitaires.
« Il se peut qu’un jour nous puissions lire les connexions cérébrales et comprendre ce qu’elles signifient ou représentent pour cette personne. Je doute que cela se produise de mon vivant, mais notre travail représente une avancée tangible dans la compréhension de la dimension peut-être la plus complexe et la plus mystérieuse de notre existence », conclut Imai.
Financement : Agence japonaise pour la recherche et le développement médicaux, Agence japonaise pour la science et la technologie, Société japonaise pour la promotion de la science, Fondation Uehara Memorial, Fondation Sumitomo, Fondation Ichiro Kanahara, Fondation Daiichi Sankyo pour les sciences de la vie, Fondation des sciences du cerveau
