Pour comprendre quelque chose, il est utile de l’observer de près et d’étudier son fonctionnement interne. Cela n’est pas moins vrai pour le cerveau, qu’il s’agisse du cerveau d’une souris, de celui d’une baleine ou du cerveau spongieux de notre propre crâne. Après tout, cela nous définit en tant que personne ; contenant notre personnalité et tous nos désirs et rêves. Il existe également de nombreuses blessures, troubles et maladies qui affectent le cerveau, dont beaucoup sont aussi mal compris que les bases du stockage des souvenirs et de la formation des pensées. Cela est dû en grande partie à la difficulté d’étudier le cerveau de manière contrôlée.
Récemment, une percée a été réalisée sous la forme d’une carte détaillée des cellules et des synapses d’un segment d’un échantillon de cerveau humain. Cette collaboration entre Harvard et Google a abouti à l'examen le plus détaillé des tissus cérébraux humains à ce jour, contenu dans seulement 1,4 pétaoctets de données. Loin d’être une carte cérébrale complète, cet effort particulier n’a impliqué qu’un millimètre cube du cortex temporal humain, contenant 57 000 cellules, 230 millimètres de vaisseaux sanguins et 150 millions de synapses.
En fin de compte, l’objectif est de créer une carte complète d’un cerveau humain comme celle-ci, avec chaque synapse et autres structures détaillées. Si nous y parvenons, les implications pourraient être hallucinantes.
Neurogenèse
Au début, il n’existe que quelques neurones nouvellement formés, se spécialisant progressivement à partir de cellules plus génériques de l’embryon en développement vers la variété de cellules qui composent le cerveau humain. L’étude du développement de cet état précoce dans les connectomes de l’enfant et de l’adulte (c’est-à-dire la carte des connexions neuronales dans le cerveau) nous a déjà fourni de nombreux indices. Le terme « connectome » a été inventé en 2005, suivant le modèle du « génome », à une époque où les chercheurs étaient occupés à séquencer l'intégralité du génome humain.
L’idée est que pour comprendre le cerveau, nous devons comprendre le réseau et pas seulement les neurones individuels ou le fonctionnement des synapses individuelles. Ceci est similaire à la façon dont notre compréhension d’un génome repose sur l’observation de la façon dont l’ADN est transcrit en éléments constitutifs fonctionnels ; des composants qui aboutissent finalement à quelque chose d'aussi simple qu'un eucaryote unicellulaire, à un corps humain fonctionnel ou à toute autre forme de vie. En observant la manière dont le génome est utilisé dans ce contexte, nous comprenons comment le génome et la cellule ou le corps dont il fait partie s'emboîtent.
Dans le cas d'un connectome, nos options d'observation ont été plutôt limitées, car les cerveaux n'aiment pas être étudiés avec, par exemple, un microscope électronique à balayage (MEB) alors qu'ils sont encore à l'intérieur d'un corps vivant. C’est pourquoi la plupart des études impliquent l’utilisation de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), qui image l’activité cérébrale au fil du temps. Une étude récente menée par Qiongling Li et ses collègues dans Rapports de cellules intitulé «Développement de la ségrégation et intégration des connectomes fonctionnels au cours des 1 000 premiers jours » a utilisé des séries d'analyses IRMf sur 665 nourrissons pour suivre le développement de leur connectivité fonctionnelle (FC) jusqu'à l'âge de trois ans, date à laquelle la structure du cerveau a largement mûri.
En utilisant cet ensemble de données, il est possible de marquer la ségrégation du cerveau en développement en centres distincts, qui forment les différents cortex, etc., chacun ayant des fonctionnalités distinctes. La connectivité locale peut être suivie à l'aide de cette méthode, ainsi que la connectivité globale entre les régions distinctes, mais cela ne nous dit pas exactement comment les neurones sont connectés, ni ne nous permet d'examiner de près le connectome en développement, ou le résultat final chez un adulte.
Connectome adulte
L'échantillon de tissu cérébral analysé dans l'étude collaborative susmentionnée de Google Research et du Lichtman Lab de Harvard provenait d'une femme de 45 ans qui avait subi une intervention chirurgicale liée à l'épilepsie (résection chirurgicale d'un foyer épileptique dans le lobe temporal médial gauche). Les résultats de l'étude sont décrits dans l'article de recherche (paywalled, aucune copie préalable à la publication trouvée) d'Alexander Shapson-Coe et ses collègues, tel que publié dans Science avec le titre « Un fragment de pétavoxel du cortex cérébral humain reconstruit à une résolution nanométrique ». Des informations détaillées sur le matériel et les méthodes peuvent être trouvées dans le document PDF supplémentaire (disponible gratuitement).
Ce 1mm3 L'échantillon a d'abord été coloré avec du tétroxyde-thiocarbohydrazide (TCH)-osmium, lavé puis coloré avec de l'acétate d'uranyle à 2% avant d'être fixé avec de l'époxy. À partir de cela, 5 019 sections ont été coupées, d'une épaisseur allant de 30 à 33 nm, mais avec des problèmes tels que la rupture des couches, l'émoussement du couteau utilisé et des problèmes d'alignement après le remplacement du couteau. On suppose que cela a entraîné une certaine perte de tissu.
Ces tranches ont ensuite été imagées avec un SEM, laissant aux chercheurs la tâche d'aligner et de faire correspondre les caractéristiques de chaque couche. Ce processus était principalement géré par la vision industrielle et des algorithmes tels que SimpleBlobDetector d'OpenCV, ainsi que des algorithmes propriétaires de Google. Réseaux de neurones convolutifs (CNN) pour effectuer la classification des tissus et des neurites ainsi que la détection des irrégularités du corps myéloïde et des données. En fin de compte, après beaucoup plus de traitement, le résultat était un ensemble de données 3D visible avec les éléments individuels tels que les neurones, les cellules gliales, les vaisseaux sanguins et les synapses.
Ces ensembles de données sont accessibles au public, à l'aide de l'outil Web Google Neuroglancer pour une visualisation interactive. Comme l'ont noté les chercheurs, la fusion des couches est loin d'être parfaite et beaucoup plus de relectures par des réviseurs humains seront nécessaires. Malgré cela, il offre un aperçu fascinant d’un monde qu’il nous est normalement impossible d’observer aussi clairement.
Implications de la cartographie
Même dans ce petit échantillon de tissu, les chercheurs ont fait un certain nombre de découvertes qui ont soulevé des questions sur le développement neuronal normal. Ils ont notamment remarqué des caractéristiques étranges, comme quelques neurones ayant établi plus de 50 connexions entre eux, ainsi que des dendrites nouées. Ces phénomènes étaient différents de ce qui avait été documenté auparavant, ce qui soulève de nombreuses questions quant à savoir si ces phénomènes pourraient être révélateurs d'une sorte de problème de développement ou non.
Dans ce petit ensemble de données, il est possible qu'il s'agisse de caractéristiques associées à l'épilepsie – puisque cet échantillon a été obtenu à partir du cerveau d'une personne souffrant de cette maladie – mais sans obtenir plus de données avec lesquelles comparer, il sera extrêmement difficile de tirer des conclusions définitives. Cela nous laisse pour l’instant à la fois avec des perspectives très excitantes et la sombre réalisation de la difficulté de développer cet effort.
Comme le montre le niveau de détail des résultats de cette expérience, nous pouvons probablement en apprendre beaucoup sur la structure et le fonctionnement du cerveau, surtout une fois que nous parviendrons à caractériser encore plus de tissus cérébraux, ce qui nous permettra de comparer et de contraster entre les individus en bonne santé et ceux. nous avons souffert de diverses conditions dans la vie. En raison de la méthode de numérisation utilisée, le tissu doit provenir soit d'une biopsie (comme dans ce cas), soit d'un don post mortem, ce qui ajoute son propre ensemble de défis.
L'effort nécessaire pour préparer uniquement celui-ci 1 mm3 L’échantillon, l’énorme ensemble de données qu’il a généré et le processus de traitement et de réassemblage post-analyse encore imparfait posent des obstacles importants. Considérant que le cerveau humain adulte moyen a un volume d'environ 1 200 cm3 (1 200 000 millimètres3), le projet de séquençage du génome humain ressemble soudain à un défi facile en après-midi.
Cela dit, tout comme pour le projet sur le génome humain, nous trouverons probablement des moyens d’optimiser le projet de cartographie cérébrale. Une fois que nous l’aurons fait, nous pouvons nous attendre à une vague de nouvelles connaissances sur des aspects du cerveau humain qui nous ont intrigués pendant des siècles, ce qui en vaudrait vraiment la peine.
