Voir dans les méandres du cerveau

Jamais une carte cérébrale n’avait atteint une telle précision ! Voici la jungle inextricable des neurones dans un petit bout de cortex humain.

C’est un peu comme si on admirait de très près une galaxie et ses milliards d’étoiles : l’enchevêtrement dense de fibres neuronales donne presque le vertige. Et pour cause, dans ce tout petit millimètre cube de cerveau humain, on trouve environ 57 000 neurones, dont les branches se connectent en 150 millions de points !

Cette « carte » colorée est le fruit d’une décennie de collaboration entre des neuroscientifiques de l’Université Harvard et de Google Research. Il s’agit de la reconstitution la plus précise à ce jour de la structure du cortex humain (enfin… au sein d’un volume équivalent à un demi-grain de riz).

Tout a commencé par le prélèvement d’un fragment de cerveau chez une femme opérée contre l’épilepsie. L’échantillon a ensuite été figé et découpé en 5000 tranches, d’une épaisseur de quelques nanomètres chacune, qui ont été photographiées au micro­scope électronique. Finalement, les images ont été combinées pour produire une copie virtuelle 3D du modèle initial. Résultat : un atlas cérébral aux allures d’œuvre d’art, qui compile 1,4 pétaoctet de données – soit l’équivalent de 500 milliards de pages de texte imprimées !

« La microscopie électronique [qui emploie un faisceau d’électrons plutôt que de la lumière] est utilisée en neuro­sciences depuis plusieurs décennies, mais ce n’est que récemment que les progrès technologiques ont permis d’acquérir des données en coupes successives à cette échelle », explique Daniel Berger, coauteur de ce travail publié dans Science en mai dernier, et chercheur dans l’équipe de Jeff Lichtman, à Harvard.

Ce dernier est un pionnier de la « connectomique », soit l’étude de la façon dont les neurones sont connectés entre eux et forment des circuits. On lui doit la jolie technique « Brainbow », mise au point en 2007 et perfectionnée depuis. Elle consiste à introduire dans les neurones de souris quatre gènes produisant de façon aléatoire et en quantités variables quatre molécules fluorescentes. Chaque neurone émet alors une combinaison lumineuse, donc une couleur, qui lui est propre parmi plus d’une centaine de couleurs possibles, ce qui permet de le différencier de ses voisins.

Cartes au trésor

Pour les scientifiques, cartographier le cerveau est un rêve de longue date. En décortiquant les méandres des circuits neuronaux, ils espèrent comprendre les fonctions complexes comme la cognition, la conscience, les émotions…

L’entreprise est toutefois pharaonique : le cerveau humain compte 86 milliards de neurones, autant de cellules de soutien, dites « gliales », et 100 000 milliards de synapses, les points de connexion assurant les échanges entre neurones, et dont l’ensemble forme le connectome.

Certains intrépides se sont d’ailleurs cassé les dents en espérant dévoiler les mystères de cette galaxie cérébrale. C’est le cas de Henry Markram, un chercheur de l’École polytechnique fédérale de Lausanne, qui avait imaginé l’un des projets les plus ambitieux du genre, le Blue Brain Project. L’idée était de reconstruire fidèlement un cerveau sur un superordinateur, en en copiant l’organisation et le fonctionnement bio­logique, neurone par neurone. Le chercheur promettait d’y arriver en 10 ans, de comprendre au passage les maladies comme l’Alzheimer, et de mettre fin aux expérimentations animales – car tout pourrait être simulé sur son modèle. Après plus d’un milliard de dollars de subventions et une décennie d’efforts, le projet a pris fin en 2023, sous un flot de critiques. Malgré des progrès indéniables et la publication de 245 articles scientifiques, seule une modélisation très partielle de cerveau a été obtenue. Et elle est loin d’être à la hauteur.

Avec les progrès de l’intelligence artificielle et de la modélisation, les explorateurs et exploratrices du connectome n’ont toutefois pas dit leur dernier mot. « On pense que l’autisme, par exemple, est le résultat d’un câblage cérébral qui se fait différemment pendant le développement. En comparant les circuits neuronaux de cerveaux autistiques ou non, on pourrait mieux comprendre ces différences », espère Daniel Berger. Son équipe souhaite d’abord décupler la taille de sa carte cérébrale : « Notre laboratoire fait partie d’un nouveau projet dont l’objectif est de créer la carte de l’hippocampe d’une souris, une structure clé pour l’apprentissage et la mémoire. Cela pourra apporter une pièce de plus au casse-tête. »

Et quel casse-tête ! Chaque neurone est connecté à des milliers d’autres neurones, avec en général une seule synapse pour communiquer avec un voisin. Mais les équipes de Harvard et de Google ont découvert de rares duos de neurones connectés entre eux par 50 synapses ! Des nœuds de communication, en somme. « Nous ne nous attendions pas à trouver des connexions si fortes entre certains neurones, et on se demande quelle est leur fonction. Est-ce qu’elles sont apparues parce que la patiente était épileptique ? Sont-elles importantes pour le fonctionnement normal ? Ou permettent-elles d’associer des choses apprises ? » se questionne Daniel Berger. Voilà de quoi repartir pour une bonne décennie de recherche, au bas mot !