La première reproduction en 3D des synapses et des neurones d’un cerveau humain (Une image révolutionnaire)

Un minuscule échantillon de cerveau a été découpé en 5 000 tranches, et l’Intelligence artificielle a permis de le reconstituer en trois dimensions avec des détails jamais encore révélés.

Le terme n’est pas galvaudé : c’est une avancée révolutionnaire dans la compréhension du cerveau humain qu’ont réalisé des neuroscientifiques d’Harvard. En utilisant plus de 1,4 pétaoctet de données provenant de l’imagerie par microscopie électronique, l’équipe du professeur Jeff Lichtman est parvenue à reconstruire numériquement un minuscule segment cubique du cerveau humain.

Bien que mesurant un millimètre de côté, ce fragment microscopique de cortex humain abrite pas moins de 57 000 cellules, 150 millions de synapses et 230 millimètres de veines ultrafines. Fruit de près de dix ans de travaux, il s’agit de la reproduction la plus étendue et la plus détaillée du cerveau humain à ce jour, avec une résolution allant jusqu’aux synapses, les éléments clés permettant la transmission des signaux entre les neurones.

La cartographie d’un connectome

« Le mot ‘fragment’ est ironique », précise Jeff Lichtman, dans une étude parue dans Science. « Un téraoctet est, pour la plupart des gens, gigantesque, mais un fragment de cerveau humain – juste un tout petit morceau de cerveau humain – représente quand même des milliers de téraoctets. »

Puisque le cerveau humain et les neurones restent un domaine quasi inexploré, Lichtman et ses collègues se sont attelés à cartographier ce qu’ils appellent un « connectome », soit une représentation détaillée du câblage cérébral qui pourrait éclairer les dysfonctionnements éventuels dans les maladies neurologiques.

Alors que leur objectif principal est la reproduction complète du cerveau de la souris, l’application de techniques similaires à des segments du cerveau humain pourrait considérablement accélérer la recherche médicale.

Google impliqué dans cette découverte

Derrière cette prouesse, il y a aussi l’apport de l’équipe de recherche Connectomics de Google. La reconstruction, basée sur un échantillon de cerveau humain prélevé lors d’une intervention chirurgicale, a nécessité des techniques avancées telles que la microscopie électronique à coupe en série à haut débit.

Cette méthode a permis de générer des données massives, qui ont ensuite été analysées à l’aide d’algorithmes spécialisés, aboutissant à une reconstruction 3D détaillée de chaque cellule et processus dans l’échantillon aligné.

« Nos collaborateurs ont généré l’ensemble de données à l’aide d’un échantillon de tissu cérébral du lobe temporal antérieur gauche qui a été retiré lors d’une intervention chirurgicale au cerveau sur une personne épileptique » explique Viren Jain, chercheur scientifique et responsable technique chez Google. « L’équipe de Lichtman a utilisé un microscope électronique à balayage multifaisceau pour recueillir des images haute résolution de plus de 5 000 tranches de tissu, chacune d’une épaisseur d’environ 30 nanomètres. L’acquisition d’images à elle seule a pris 326 jours ».

crédit photo : Google Research & Lichtman Lab/Harvard University.

Des connections synaptiques rares mais puissantes

Cette reconstruction, baptisée H01, a déjà livré des informations inédites sur le cerveau humain. Comme par exemple, la découverte d’une classe de connexions synaptiques rares, mais extrêmement puissantes dans lesquelles une paire de neurones peut être connectée par plus de 50 synapses individuelles.

Alors que 96,5 % des contacts entre les axones et leurs cellules cibles n’ont qu’une seule synapse, 0,092 % ont quatre connexions synaptiques ou plus. Cette découverte suggère que ces connexions puissantes ne sont pas le résultat du hasard, mais plutôt que ces paires avaient une raison d’être plus fortement connectées que d’habitude. Reste à découvrir pourquoi…