Voici ce à quoi ressemble votre cerveau à l’échelle nanométrique
Un fragment du cortex a été visualisé dans un détail inégalé grâce à une collaboration entre l’Université Harvard et Google.
Six couches de neurones représentées par des couleurs différentes en fonction de leur profondeur.
Photo : Google Research et Laboratoire Lichtman
La plus grande reconstitution 3D d’une partie du cerveau à ce jour, montrant dans les moindres détails chaque cellule et son réseau de connexions, a été réalisée par des scientifiques américains dont l’objectif est de mieux cerner le fonctionnement de l’organe, qui demeure en grande partie inexpliqué.
Dans leurs travaux publiés dans la revue Science (Nouvelle fenêtre) (en anglais), le professeur de biologie cellulaire Jeff Lichtman et ses collègues sont parvenus à visualiser en trois dimensions la structure d'un millimètre cube de cortex temporal d’un cerveau humain.
Pour comprendre pleinement le fonctionnement du cerveau humain, il est nécessaire de bien connaître sa structure à haute résolution. Gros plan sur un fragment cartographié dans les moindres détails.
Photo : Google Research et Laboratoire Lichtman
Le professeur Martin Parent, du Centre de recherche CERVO, associé à l’Université Laval, n’a pas participé aux travaux, mais estime néanmoins que la qualité des images obtenues est impressionnante et même spectaculaire quand on pense à tout le travail derrière
cette réalisation.
Neurone 101
- Le cerveau humain contient environ 100 milliards de neurones.
- Le neurone est une cellule spécialisée conçue pour transmettre de l’information à d’autres cellules.
- Il transmet l’influx nerveux le long d’un prolongement appelé axone.
- Au bout de l’axone se trouvent les synapses, les zones de contact entre neurones.
- Le neurone reçoit l’information nerveuse grâce à ses dendrites qui entourent son noyau.
- Le fonctionnement du cerveau repose en grande partie sur les propriétés structurelles et fonctionnelles de l’interconnexion entre les neurones.
Comme un grain de riz
Si ce millimètre cube équivaut à la taille d'un grain de riz, l’information qu’il contient n’est pas négligeable pour autant, puisqu’il renferme 57 000 cellules, 230 millimètres de vaisseaux sanguins et pas moins de 150 millions de synapses.
La plus grande reconstitution 3D à résolution synaptique d'un morceau de cerveau humain à ce jour.
Photo : Université Harvard/Laboratoire Lichtman
Dans un premier temps, ce millimètre cube de tissu sain a été prélevé sur une femme épileptique de 45 ans lors d’une chirurgie. Il a ensuite été coupé en 5000 nanotranches
d’une épaisseur 1000 fois plus fine qu'un cheveu humain.
Les chercheurs au laboratoire du professeur Lichtman ont ensuite pris des images au microscope électronique de chacune de ces tranches, afin de saisir les détails de la structure cérébrale à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire au millionième de millimètre.
Habituellement, la microscopie électronique permet d’obtenir des images de haute résolution d’un petit volume, ce qui n’est pas le cas dans cette étude. Cela peut paraître tout petit, un millimètre cube, mais pour ce type de microscope, c'est énorme
, indique le professeur Parent.
Cette très haute résolution permet de voir des détails comme les contacts entre les synapses, qui correspondent à la façon avec laquelle les neurones vont se parler entre eux, ce qui est impossible avec un microscope optique.
Grâce à cette très grande résolution, ils ont pu classer les différents types de neurones et voir comment ils sont connectés
, ajoute Martin Parent.
Ensuite, ces informations ont permis aux algorithmes d'apprentissage automatique créés par Google de reconstituer le câblage extrêmement complexe du cerveau en 3D. Du jamais-vu pour une partie du cerveau humain.
L’image principale montre les six couches cellulaires du cortex.
Ce qui est impressionnant, c'est qu’en zoomant davantage sur l’image avec l’outil, le niveau de détails reste de haute résolution, et c’est très beau. Et on peut bouger l’image pour l’observer en 3D dans tous les angles.
Repères
Le laboratoire du professeur Lichtman se spécialise dans l’étude des connectomes, un domaine de recherche voué à créer un catalogue de la structure du cerveau, jusqu'aux cellules individuelles. À terme, ces cartes permettraient de mieux comprendre les fonctions du cerveau, mais aussi ses dysfonctionnements qui mènent aux maladies neurologiques, qui restent mal connues.
Les chercheurs de Google ont créé des algorithmes d'intelligence artificielle (IA) qui permettent de traiter les données récoltées pour reconstituer et cartographier les tissus cérébraux en trois dimensions.
Dix ans de travail
Les informations récoltées grâce à cette collaboration échelonnée sur une période de 10 ans représentent rien de moins que 1400 téraoctets de données, soit l'équivalent de 14 000 films en résolution 4K.
Un algorithme d'apprentissage machine a tracé le chemin des neurones et d'autres cellules.
Photo : Université Harvard/Laboratoire Lichtman/Google/D. Berger
Nous avons trouvé dans cet ensemble de données plusieurs éléments que nous ne comprenons pas. Il existe toujours un immense fossé entre ce que nous savons et ce qui reste à apprendre
, affirme dans un communiqué le professeur Lichtman.
De nouvelles connaissances
Ces travaux ont permis d’apprendre que les dendrites des neurones peuvent être classés sur la base de leur orientation. En effet, ces prolongements arborescents présentent une curieuse symétrie, certains étant orientés vers l'avant et d'autres vers l'arrière.
On peut également observer des tourbillons serrés d'axones, ces fines fibres qui transportent les signaux d'une cellule cérébrale à l'autre.
La visualisation permet aussi de voir des détails inédits de la structure du neurone. Il faut savoir que, dans l’ensemble du tissu cérébral, la vaste majorité des axones (96 %) n'établissent qu'une seule connexion avec une cellule nerveuse, et qu’un petit nombre (3 %) en établissent deux. Ces travaux montrent qu’un rare groupe d’axones (1 %) établit des dizaines de connexions, jusqu’à 50.
Les chercheurs pensent que les fortes connexions entre les neurones expliquent les comportements bien appris.
Photo : Université Harvard/Laboratoire Lichtman/Google/D. Berger
L’une des hypothèses avancées pour expliquer ces nombreuses connexions : elles contribueraient à expliquer comment des comportements bien appris – comme de retirer le pied de l'accélérateur pour appuyer sur le frein à un feu rouge – ne requièrent pratiquement aucune réflexion après une pratique répétée.
L'équipe a également noté certaines particularités dans le tissu cérébral, comme un petit nombre d'axones qui forment des cercles étendus. Comme l'échantillon de tissu sain a été prélevé sur une personne épileptique, les chercheurs ne veulent pas s’avancer sur la nature de ces anomalies qui pourrait être pathologique ou simplement rare.
Des limites
Selon Martin Parent, si le recours à la microscopie électronique permet une imagerie de haute définition, elle présente aussi des limites.
Cette technique nous montre la morphologie des neurones. Elle permet de les classer en fonction de leur forme et de voir comment ils sont connectés. D’autres techniques de microscopie utilisent des immunomarquages qui permettent de voir les protéines qui sont contenues dans les neurones.
L’absence de marquage représente une limite, puisque les neurones ne peuvent être classés que par leur morphologie, sans considération pour leur contenu neurochimique, leur contenu protéinique
, relève le professeur.
Le professeur s’enthousiasme à la vue des images magnifiques
qui montrent clairement toutes les régions des neurones.
Mais on ne sait pas quel langage ils parlent! Quels neurotransmetteurs sont libérés? De la dopamine, de la sérotonine? Est-ce que ce sont des neurotransmetteurs excitateurs ou inhibiteurs?
Ces travaux permettent donc une analyse morphologique, mais ce n’est qu’en combinant plusieurs approches qu’on arrivera à bien cerner l’activité des neurones et l’ensemble de leurs communications.
On a des indications des contenus neurochimiques avec les caractéristiques morphologiques, mais ça reste très indirect
, note-t-il.
Le professeur Parent ajoute qu’il faut aussi prendre en considération que ce millimètre cube n'appartient qu’à une seule personne, et que des variabilités existent certainement d’un individu à l’autre. Toutefois, ce type de travail permettra éventuellement de comparer des tissus sains avec des tissus provenant de cerveaux malades pour comprendre comment les circuits s'organisent… et se désorganisent.
Une chose est certaine, ces travaux montrent la grande complexité de l'organisation des neurones. C’est très impressionnant de voir la complexité du cerveau propre à l’humain… et qui est souvent beaucoup plus complexe que ce qu'on retrouve chez les autres espèces.
Le travail se poursuit… chez la souris
Pour le moment, les auteurs des travaux n'envisagent pas de cartographier un cerveau humain en entier parce que la technologie n’est simplement pas encore au point. Les deux équipes veulent plutôt créer une carte complète et à haute résolution du câblage neuronal d'une souris, ce qui nécessitera quand même environ 1000 fois la quantité de données que le groupe vient de produire à partir du fragment de cortex humain d'un millimètre cube.
La cartographie du cerveau d’une souris n’est pas sans intérêt pour les humains, puisqu’elle permettra, par exemple, d’observer l’activité cérébrale associée au libre arbitre, qui permet de prendre des décisions individuelles.
