La conquête du Connectome : La cartographie des secrets du cerveau
FlyWire est une collaboration entre l'homme et l'IA visant à reconstruire le connectome complet du cerveau de la drosophile. Il est rendu possible grâce aux contributions de centaines de scientifiques du monde entier. Les avantages potentiels d'une telle ressource sont immenses : nous pouvons désormais progresser de manière significative dans notre compréhension du fonctionnement du cerveau en établissant un lien entre le câblage neuronal et la fonction cérébrale.Seung et Murthy développent la carte FlyWire depuis plus de quatre ans, en utilisant des images de microscopie électronique de tranches du cerveau de la mouche. Les chercheurs et leurs collègues ont assemblé les données pour former une carte complète du cerveau à l'aide d'outils d'intelligence artificielle (IA).
Aujourd'hui, une avancée majeure dans le domaine des neurosciences est sur le point de changer tout cela. Après des décennies de travail minutieux, des chercheurs ont construit le premier schéma de câblage complet, ou "connectome", d'un cerveau adulte entier. Et pas n'importe quel cerveau : ce connectome appartient à l'humble mouche des fruits, Drosophila melanogaster. Bien que le cerveau de la mouche puisse sembler bien loin de celui de l'homme, cet exploit remarquable représente une avancée majeure dans notre quête pour décoder le fonctionnement interne du cerveau.
Le nouveau connectome de la drosophile, décrit dans une étude récente publiée dans la revue Nature, fournit un niveau de détail sans précédent sur les circuits neuronaux de la mouche. Avec un nombre stupéfiant de 139 255 neurones et 54,5 millions de connexions synaptiques, il représente le schéma de câblage le plus complet jamais construit pour l'ensemble du cerveau. Cette ressource remarquable éclaire non seulement les principes d'organisation d'un cerveau en fonctionnement, mais offre également un aperçu alléchant de ce qui pourrait être possible à l'heure où nous nous efforçons de cartographier le connectome humain.
Pour apprécier l'importance de cette percée, il faut d'abord comprendre les défis de longue date qui ont entravé les progrès de la connectomique, le domaine consacré à la cartographie des réseaux neuronaux. Tracer le réseau complexe de connexions entre les neurones est une entreprise extrêmement complexe, qui nécessite des techniques d'imagerie spécialisées et une puissance de calcul qui ne sont disponibles que depuis peu.
Historiquement, les efforts de reconstruction des circuits neuronaux se sont limités à de petites portions du cerveau, telles que la rétine ou une seule région cérébrale. Bien que ces schémas de câblage partiels aient permis d'obtenir des informations précieuses, ils ne permettent pas d'obtenir la compréhension holistique nécessaire pour comprendre le fonctionnement du cerveau en tant que système intégré. Le connectome de la mouche, en revanche, englobe l'ensemble du système nerveux central, offrant une vue d'ensemble du flux d'informations depuis les entrées sensorielles jusqu'aux sorties motrices.
Ce niveau d'exhaustivité n'est pas une mince affaire. L'imagerie d'un cerveau de mouche adulte entier à la résolution nécessaire pour résoudre les synapses individuelles est un énorme défi technique, qui nécessite l'acquisition de trillions de pixels de données de microscopie électronique. Et ce n'est qu'un début : les données doivent ensuite être minutieusement alignées, segmentées et relues par des équipes d'annotateurs experts afin de garantir l'exactitude de la reconstruction finale.
Le consortium FlyWire, qui est à l'origine de cette réalisation historique, estime que la reconstruction a nécessité 33 années-personnes de relecture manuelle. Cet effort herculéen a impliqué non seulement des neuroscientifiques professionnels, mais aussi une communauté mondiale de scientifiques citoyens qui ont offert leur temps et leur expertise pour affiner l'ensemble des données.
Il en résulte un connectome d'une précision et d'une exhaustivité inégalées, qui promet de révolutionner notre compréhension du câblage et du fonctionnement des cerveaux. En retraçant l'ensemble des connexions neuronales au sein du système nerveux central de la mouche, les chercheurs peuvent désormais explorer le flux d'informations entre les entrées sensorielles et les sorties motrices, découvrir les mécanismes de circuit qui sous-tendent des comportements spécifiques et acquérir de nouvelles connaissances sur les principes d'organisation qui régissent l'architecture du cerveau.
Ce qui est peut-être le plus intéressant, c'est que ce connectome pourrait servir de pont entre le cerveau de la mouche et celui de l'homme. Bien que les deux soient très différents en termes d'échelle et de complexité, ils partagent des similitudes fondamentales dans leur architecture neuronale sous-jacente. Les mouches, dont le système nerveux est relativement simple, sont depuis longtemps des organismes modèles précieux pour l'étude des mécanismes de base des fonctions cérébrales. Le nouveau connectome fournit maintenant un niveau de détail sans précédent pour guider et informer notre compréhension de cerveaux plus complexes, y compris le nôtre.
L'étude du traitement sensoriel et de l'intégration sensorimotrice est un domaine où le connectome de la mouche porte déjà ses fruits. En retraçant les voies du système visuel de la mouche jusqu'à ses sorties motrices, les chercheurs ont découvert de nouvelles informations sur la façon dont les informations sensorielles sont transformées en commandes comportementales.
Par exemple, le connectome révèle les circuits complexes qui sous-tendent le système ocellaire de la mouche - un ensemble d'yeux simples, dépourvus de lentilles, qui détectent les changements dans les niveaux de lumière ambiante. On pense que ces ocelles jouent un rôle clé dans la stabilisation du regard de la mouche et la coordination de ses mouvements de vol, mais les mécanismes neuronaux précis sont restés insaisissables.
Le nouveau connectome a toutefois permis aux chercheurs de cartographier le schéma électrique complet du système ocellaire, en retraçant le flux d'informations des photorécepteurs vers une région spécialisée du cerveau appelée ganglion ocellaire, puis vers les motoneurones descendants qui contrôlent les mouvements de la tête et du corps. Ce niveau de détail a permis aux chercheurs de proposer un mécanisme de circuit spécifique par lequel les ocelles pourraient contribuer à la capacité de la mouche à maintenir un vol et un regard stables.
Le circuit ocellaire n'est qu'un exemple parmi d'autres de la manière dont le connectome peut être utilisé pour découvrir les fondements neuronaux du comportement. En combinant ces données anatomiques avec des études fonctionnelles, les chercheurs peuvent commencer à comprendre comment le câblage du cerveau donne lieu au riche répertoire de comportements que nous observons chez la mouche.
Bien entendu, le cerveau de la mouche est encore loin du cerveau humain en termes de complexité. Le cerveau humain adulte contient environ 86 milliards de neurones, soit plus de 600 fois le nombre de neurones de la mouche. Et si le connectome de la mouche représente une prouesse technique impressionnante, le réseau complexe de connexions du cerveau humain est bien plus complexe.
Néanmoins, les leçons tirées du connectome de la mouche permettront sans aucun doute d'informer et d'accélérer les efforts visant à cartographier le cerveau humain. Les stratégies et les technologies développées pour le projet de la mouche, depuis les techniques avancées de microscopie électronique jusqu'aux pipelines informatiques évolutifs pour le traitement et l'analyse des données, peuvent être adaptées et appliquées au cerveau humain. Les connaissances acquises sur l'architecture neuronale de la mouche peuvent fournir des indices cruciaux sur les principes d'organisation qui régissent les fonctions cérébrales de toutes les espèces.
En effet, la course est déjà lancée pour construire le premier connectome humain complet. Plusieurs initiatives majeures, telles que le programme américain Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) et le projet européen Human Brain Project, sont consacrées à cet objectif ambitieux. Si les défis techniques sont considérables, les retombées potentielles sont immenses.
Un schéma complet du cerveau humain révolutionnerait non seulement notre compréhension de la cognition et de la conscience, mais ouvrirait également la voie à des avancées révolutionnaires dans des domaines allant de la neurologie et de la psychiatrie à l'intelligence artificielle. En cartographiant les circuits neuronaux complexes du cerveau, les chercheurs pourraient obtenir des informations sans précédent sur les origines des troubles neurologiques et psychiatriques, ce qui pourrait déboucher sur de nouveaux outils de diagnostic et des thérapies ciblées. Et en procédant à une rétro-ingénierie des capacités de traitement de l'information du cerveau, nous pourrions percer les secrets de la construction de machines véritablement intelligentes, capables d'égaler, voire de dépasser, les capacités cognitives humaines.
Bien sûr, le chemin vers le connectome humain est long et semé d'embûches. L'échelle même du cerveau humain, combinée à la complexité inhérente de son architecture neuronale, présente de formidables défis techniques qui nécessiteront des années d'efforts soutenus et d'innovation. Et même lorsqu'un schéma de câblage complet aura été réalisé, la traduction de cette connaissance anatomique en une compréhension fonctionnelle du cerveau constituera un immense défi en soi.
Pourtant, la réussite du projet de connectome de la mouche offre une lueur d'espoir. Il démontre qu'avec des ressources suffisantes, une technologie de pointe et un esprit de collaboration, il est possible de réaliser ce qui semble impossible. Et comme l'a montré le connectome de la mouche, les connaissances acquises même à partir d'un cerveau "simple" peuvent avoir de profondes implications pour notre compréhension de la structure biologique la plus complexe de l'univers connu : le cerveau humain.
Alors que nous nous tournons vers l'avenir, le connectome de la drosophile est un exemple éclatant de ce qui peut être accompli lorsque les scientifiques se fixent des objectifs apparemment impossibles. Il témoigne de la puissance de l'ingéniosité humaine, de la persévérance et du potentiel de transformation de la science collaborative. Enfin, elle donne un aperçu alléchant des percées qui nous attendent dans notre quête pour percer les mystères du cerveau.
Pour en savoir plus
- https://doi.org/10.1038/s41586-024-07558-y
- Le consortium Flywire et l'exploration du cerveau cartographié - https://flywire.ai/
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