Publiée dans la revue Science, cette étude dévoile une carte tridimensionnelle extrêmement détaillée d’un mm³ du cortex cérébral, la couche externe du cerveau, responsable de fonctions complexes : pensée, perception, mémoire ou prise de décision. Celle-ci un aperçu inédit des neurones et de leurs connexions ainsi que des caractéristiques de cette zone complexe de notre organe vital. Une réalisation exceptionnelle, qui ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension du fonctionnement du cerveau humain. En effet, la carte révèle des configurations de connexions neuronales jamais observées auparavant et permettra d’affiner notre appréhension du fonctionnement cérébral.
Une prouesse technique et scientifique
Le fragment de tissu cérébral étudié provient du cortex d’une femme de 45 ans atteinte d’épilepsie, prélevé lors d’une opération. Cette région du cerveau, essentielle à l’apprentissage, à la résolution de problèmes et au traitement des signaux sensoriels, a été soigneusement préservée et imprégnée de métaux lourds afin de faciliter son observation au microscope.
Une fois prélevé, le tissu a été découpé en environ 5 000 tranches d’une finesse extrême, d’une épaisseur de seulement 34 nanomètres, soit l’équivalent de la taille d’un petit virus. En comparaison, le diamètre du virus H5N1 est de 80 à 120 nanomètres. Ces tranches ultrafines ont ensuite été scrutées sous tous les angles au microscope électronique. Cela a permis aux chercheurs, dirigés par Viren Jain, (neuroscientifique chez Google) et Jeff Lichtman (Professeur en biologie cellulaire et moléculaire) de l’Université Harvard, de reconstituer le volume du fragment en trois dimensions. Ce, grâce à l’utilisation de modèles d’intelligence artificielle.
Cette technique, appelée microscopie électronique par balayage à faisceau d’ions focalisé (FIB-SEM), offre une précision élevée dans l’imagerie des tissus cérébraux et permet aux scientifiques d’observer les neurones et leurs connexions avec un très haut niveau de détail.
Le choix du cortex cérébral d’une patiente épileptique n’est pas le fruit du hasard. En effet, cette région du cerveau est particulièrement impliquée dans la génération des crises d’épilepsie, et l’étude de ses structures pourrait apporter des éclairages précieux sur les mécanismes sous-jacents à cette maladie.
Des observations neuronales inédites
L’analyse minutieuse du modèle tridimensionnel par les équipes d’Harvard et de Google ont révélé des configurations neuronales pour le moins atypiques. En effet, certains neurones établissaient un nombre de connexions stupéfiant, allant jusqu’à 50 liaisons avec d’autres cellules nerveuses, ce qui est bien au-delà de la norme observée habituellement.
Un constat accompagné de son lot de découvertes, elles aussi assez fascinantes. Les chercheurs ont observé des neurones dont les dendrites (extensions qui permettent aux cellules de communiquer entre elles), formaient des nœuds complexes, des structures enchevêtrées d’une grande intrication. Cela suggère éventuellement l’existence de mécanismes de communication et de traitement de l’information plus sophistiqués que ce que l’on connaissait auparavant. Une découverte qui pourrait nous amener à réviser nos modèles actuels des réseaux neuronaux, fondés sur des observations plus simplifiées.
Autre observation intéressante : des paires de neurones ont été identifiées, présentant une symétrie quasi parfaite, comme deux miroirs se faisant face. Généralement, les neurones sont uniques dans leur structure et fonction ; la découverte de paires de neurones avec une symétrie quasi parfaite remet ainsi en question notre compréhension actuelle de la variabilité neuronale.
Implications pour les neurosciences
Comme le souligne Hongkui Zeng, directeur de l’Allen Institute for Brain Science, cette cartographie est une opportunité unique pour la communauté scientifique. Celle-ci pourra alors explorer la micro-circuiterie du cortex humain bien plus facilement qu’autrefois. Yongsoo Kim de l’Université d’État de Pennsylvanie ne tarit pas non plus d’éloges sur cette réalisation, en affirmant qu’elle « fournit des détails sans équivalent qui pourraient révéler de nouvelles règles de connexions neuronales et contribuer à décrypter le fonctionnement interne du cerveau humain ».
Ces recherches permettront éventuellement de progresser dans le traitement et la prévention de certaines maladies psychiatriques et neurodégénératives, comme Alzheimer ou d’autres formes de démences. Les chercheurs du monde entier doivent certainement être impatients d’exploiter cette véritable mine d’informations. Cet incroyable projet nous prouve bien une chose : qu’un de nos organes les plus importants est certainement celui qu’on connaît le moins.
- Des scientifiques d’Harvard et de Google ont mis au point une cartographie du cerveau d’une précision extrême grâce à des microscopes par balayage à faisceau d’ions focalisé et à l’IA.
- Cette cartographie a révélé des détails du cortex cérébral qui demeuraient encore inconnus.
- Ces nouvelles observations pourraient aider à mieux comprendre le fonctionnement du cerveau, et donc potentiellement aider à la prévention et le traitement de certaines affections psychiatriques et neurodégénératives.
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