Le cerveau en détail: une carte interactive révèle les mystères de la pensée

Cette image aurait pu être accrochée dans une galerie, mais elle a commencé sa vie en tant que petit morceau du cerveau d’une femme. En 2014, une femme subissant une chirurgie pour l’épilepsie a eu un petit morceau de son cortex cérébral retiré. Ce millimètre cube de tissu a permis aux chercheurs de Harvard et de Google de produire le diagramme de câblage le plus détaillé du cerveau humain que le monde ait jamais vu.

Des biologistes et des experts en apprentissage automatique ont passé 10 ans à construire une carte interactive du tissu cérébral, qui contient environ 57 000 cellules et 150 millions de synapses. Il montre des cellules qui s’enroulent autour d’elles-mêmes, des paires de cellules qui semblent être en miroir, et des « objets » en forme d’œuf qui, selon la recherche, défient la catégorisation. Ce diagramme incroyablement complexe est censé aider à faire avancer la recherche scientifique, de la compréhension des circuits neuronaux humains aux traitements potentiels des troubles.

« Si nous cartographions les choses à une très haute résolution, voyons toutes les connexions entre les différents neurones, et analysons cela à grande échelle, nous pourrions être en mesure d’identifier des règles de câblage », explique Daniel Berger, l’un des chercheurs principaux du projet et spécialiste de la connectomique, qui est la science de la façon dont les neurones individuels se lient pour former des réseaux fonctionnels. « À partir de cela, nous pourrions être en mesure de créer des modèles qui expliquent de manière mécaniste comment fonctionne la pensée ou comment la mémoire est stockée. »

Jeff Lichtman, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à Harvard, explique que les chercheurs de son laboratoire, dirigés par Alex Shapson-Coe, ont créé la carte cérébrale en prenant des images subcellulaires du tissu à l’aide de la microscopie électronique. Le tissu du cerveau de la femme de 45 ans a été coloré avec des métaux lourds, qui se lient aux membranes lipidiques des cellules. Cela a été fait pour que les cellules soient visibles lorsqu’elles sont vues au microscope électronique, car les métaux lourds réfléchissent les électrons.

Le tissu a ensuite été incorporé dans de la résine afin qu’il puisse être coupé en tranches très fines, seulement 34 nanomètres d’épaisseur (en comparaison, l’épaisseur d’une feuille de papier typique est d’environ 100 000 nanomètres). Cela a été fait pour faciliter la cartographie, dit Berger, pour transformer un problème en 3D en un problème en 2D. Ensuite, l’équipe a pris des images au microscope électronique de chaque tranche 2D, ce qui représentait un énorme 1,4 pétaoctet de données.

Une fois que les chercheurs de Harvard ont eu ces images, ils ont fait ce que beaucoup d’entre nous font lorsqu’ils sont confrontés à un problème : ils se sont tournés vers Google. Une équipe du géant de la technologie dirigée par Viren Jain a aligné les images 2D en utilisant des algorithmes d’apprentissage automatique pour produire des reconstructions 3D avec une segmentation automatique, où les composants au sein d’une image, par exemple, les différents types de cellules, sont automatiquement différenciés et catégorisés. Une partie de la segmentation nécessitait ce que Lichtman appelait des « données de vérité terrain », où Berger (qui a travaillé en étroite collaboration avec l’équipe de Google) redessinait manuellement une partie du tissu pour informer davantage les algorithmes.

La technologie numérique, explique Berger, lui a permis de voir toutes les cellules de cet échantillon de tissu et de les colorer différemment en fonction de leur taille. Les méthodes traditionnelles d’imagerie des neurones, telles que la coloration des échantillons avec un produit chimique appelé la tache de Golgi, qui est utilisée depuis plus d’un siècle, laissent certains éléments du tissu nerveux cachés.

Source : This Is the Most Detailed Map of Human Brain Connections Ever Made