Une carte cérébrale 3D de 1 400 To finement détaillée

Six couches de neurones excitateurs sont codées par couleur selon la profondeur. Crédit : Google Research et Lichtman Lab

Un effort de collaboration entre l’Université Harvard et Google a conduit à une percée dans la science du cerveau, produisant une carte 3D à grande échelle d’une petite partie du cerveau humain, révélant des interactions neuronales complexes et jetant les bases de la cartographie de l’ensemble du cerveau de la souris.

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, soit 1 400 téraoctets de données, les chercheurs de Harvard et de Google viennent d’accomplir quelque chose d’énorme.

Une équipe de l’Université Harvard dirigée par Jeff Lichtman, le Jeremy R. Knowles, professeur de biologie moléculaire et cellulaire et nouveau doyen des sciences, s’est associé à des chercheurs de Google pour créer la plus grande résolution synaptique et reconstruction 3D d’une partie du cerveau humain à ce jour. Il montre de manière très détaillée 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

Un exploit impressionnant, publié dans le magazine les sciences, 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’intelligence artificielle pour coder les couleurs et reconstruire le câblage très complexe du cerveau des mammifères. Les trois co-auteurs de l’article sont Alexander Shapson Kuo, ancien chercheur postdoctoral à Harvard ; Michal Januszewski de Google Research et Daniel Berger, chercheur postdoctoral à Harvard.

Le but ultime de la coopération, soutenu par Initiative sur le cerveau des Instituts nationaux de santéconsiste à créer une carte haute résolution du câblage neuronal de l’ensemble du cerveau de la souris, ce qui nécessitera environ 1 000 fois la quantité de données qui viennent d’être produites à partir d’une section de 1 millimètre cube du cortex humain.

Aperçus de la dernière carte cérébrale

« Le mot « partie » est ridicule », a déclaré Lichtman. « Un téraoctet, pour la plupart des gens, est énorme, et pourtant une partie d’un cerveau humain – juste une très petite partie d’un cerveau humain – représente quand même des milliers de téraoctets. »

La dernière carte publiée dans la revue Science contient des détails inédits sur la structure du cerveau, notamment une collection rare mais robuste d’axones connectés à jusqu’à 50 synapses. L’équipe a également remarqué des anomalies tissulaires, telles qu’un petit nombre d’axones formant de vastes brins. Comme leur échantillon provenait d’un patient épileptique, ils ne savent pas si ces formations inhabituelles sont pathologiques ou simplement rares.

Le domaine des sciences de la communication

Le domaine de Lichtman est la « science de la connexion » qui, tout comme 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, sur lesquelles les scientifiques savent encore très peu de choses.

Les algorithmes d’IA de pointe de Google permettent de reconstruire et de cartographier les tissus cérébraux en trois dimensions. L’équipe a également développé un ensemble d’outils accessibles au public que les chercheurs peuvent utiliser pour examiner et annoter le réseau neuronal.

Tendances futures

« Compte tenu des énormes investissements qui ont été investis dans ce projet, il était important de présenter les résultats de manière à ce que tout le monde puisse en bénéficier dès maintenant », a déclaré Viren Jain, collaborateur de Google Research.

L’équipe se penchera ensuite sur la formation de l’hippocampe chez la souris, un élément important pour les neurosciences en raison de son rôle dans la mémoire et les maladies neurologiques.

Référence : « Une partie pétavoxel du cortex cérébral humain a été reconstruite en Échelle nanométrique « La décision » d’Alexander Shapson Kuo, Michal Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuhong Wang, Jeremy Maiten Shepherd, Neha Carlopia, Sven Durkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Levitt, Donghill Li, Jacob Truedle, Forrest Coleman, Luke Bailey, Angerika Fitzmaurice, Ruhin Carr, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Karina, David Aaliyah, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg et Viren Jane et Jeff W. Lichtman, 10 mai 2024, les sciences.
est ce que je: 10.1126/science.adk4858