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142. NEUROSCIENCES, NEUROLOGIE & PSYCHOLOGIE

Cartographier la façon dont les 100 milliards de cellules du cerveau s'emboîtent et communiquent c’est le pari des neurosciences

Résumé : En cartographiant la façon dont les neurones du cerveau sont organisés et en examinant comment ils communiquent les uns avec les autres, les chercheurs acquièrent une meilleure compréhension du fonctionnement du cerveau normal et de ce qui se passe lorsqu'un dysfonctionnement se produit.

Source: La conversation

Le cerveau joue un rôle essentiel dans la façon dont les gens naviguent dans le monde en générant à la fois des pensées et des comportements. Bien qu'il soit l'un des organes les plus vitaux de la vie, il n'occupe que 2% du volume du corps humain. Comment quelque chose d'aussi petit peut-il accomplir des tâches aussi complexes ?

 

Heureusement, des outils modernes comme la cartographie du cerveau ont permis à des neuroscientifiques comme moi de répondre exactement à cette question. En cartographiant comment tous les types de cellules du cerveau sont organisés et en examinant comment ils communiquent les uns avec les autres, les neuroscientifiques peuvent mieux comprendre comment le cerveau fonctionne normalement et ce qui se passe lorsque certaines parties cellulaires disparaissent ou fonctionnent mal.

L'histoire de la cartographie du cerveau

La tâche de comprendre le fonctionnement interne du cerveau fascine à la fois les philosophes et les scientifiques depuis des siècles. Aristote a proposé que le cerveau est l'endroit où réside l'esprit. Léonard de Vinci a dessiné des représentations anatomiques du cerveau avec de la cire. Et Santiago Ramón y Cajal , avec ses travaux lauréats du prix Nobel de 1906 sur la structure cellulaire du système nerveux, a fait l'une des premières percées qui ont conduit à la neuroscience moderne telle que nous la connaissons.

En utilisant une nouvelle façon de visualiser les cellules individuelles appelée coloration de Golgi , une méthode mise au point par le co-lauréat du prix Nobel Camillo Golgi, et l'examen microscopique du tissu cérébral, Cajal a établi la doctrine des neurones séminal . Ce principe stipule que les neurones, parmi les principaux types de cellules cérébrales, communiquent entre eux via des espaces entre eux appelés synapses. Ces découvertes ont lancé une course pour comprendre la composition cellulaire du cerveau et comment les cellules cérébrales sont connectées les unes aux autres.

La technique CLARITY rend les cerveaux entiers transparents afin qu'ils puissent être examinés au niveau moléculaire. Crédit : Vidéo Nature

Les neurosciences ont depuis connu une explosion rapide de nouveaux outils expérimentaux. De 100 ans à aujourd'hui, des outils modernes appelés neurotechniques , qui incluent la cartographie du cerveau, ont donné aux neuroscientifiques un moyen d'inspecter de près chaque composant du cerveau. Mon laboratoire utilise ces outils de cartographie du cerveau pour comprendre quels types de cellules composent le cerveau et comment ils contribuent à la création de la cognition.

La science de la cartographie du cerveau

Alors, comment fonctionne la cartographie du cerveau ?

Les scientifiques doivent d'abord étiqueter ou visualiser un type de cellule spécifique. Le processus est comme trouver une aiguille dans une botte de foin - il serait beaucoup plus facile de la trouver si l'aiguille, ou le type de cellule, brillait. Cela peut être fait avec des méthodes génétiques ou d'immunocoloration.

La méthode génétique tire parti des animaux, comme les souris, qui peuvent être génétiquement modifiés afin que seul le type de cellule cible soit visible sous des lumières fluorescentes spécifiques. Les méthodes d'immunocoloration, d'autre part, rendent les échantillons de cerveau transparents avec un traitement chimique spécial et utilisent des anticorps pour marquer le type de cellule cible avec une étiquette fluorescente.

L'étape suivante consiste à imager l'ensemble du cerveau à l'aide de techniques de microscopie qui permettent aux scientifiques de visualiser des parties trop petites pour être vues à l'œil nu. Des outils de microscopie spécialisés peuvent prendre des instantanés, ou des tuiles, de l'ensemble du cerveau. L'assemblage de ces tuiles d'images peut reconstituer un volume 3D intact comme une mosaïque de photos. C'est comme construire une carte Google du cerveau : en combinant des millions de photos de rues individuelles, vous pouvez effectuer un zoom avant pour voir chaque coin de rue et un zoom arrière pour voir une ville entière.

Sans surprise, ce type d'imagerie 3D crée de très grands ensembles de données. Même si le cerveau d'une souris est plus petit qu'un doigt humain , la taille de ces ensembles de données peut facilement atteindre entre quelques centaines de gigaoctets et un téraoctet. Heureusement, des progrès remarquables dans les équipements informatiques et les logiciels ont rendu possible l'analyse de données à grande échelle. Les algorithmes d'intelligence artificielle en particulier ont permis aux scientifiques de détecter de nombreuses caractéristiques cellulaires différentes dans le cerveau, telles que la forme et la taille des cellules, ainsi que les processus auxquels elles sont soumises.

 

142 neurosciences neurologie psychologie

Des groupes de recherche soutenus par la US BRAIN Initiative ont récemment publié la carte la plus complète des types de cellules dans le cortex moteur des humains, des singes et des souris. Crédit : Andriy Onufriyenko

 

Une fois que les scientifiques sont capables de détecter leur type de cellule cible dans un ensemble de données d'images, la dernière étape consiste à localiser des caractéristiques cellulaires spécifiques dans un cerveau de référence. Ce cerveau de référence sert de carte standardisée qui montre où se trouve chaque région du cerveau. Les scientifiques peuvent ensuite utiliser cette carte pour comparer avec des cerveaux individuels et noter leurs variations.

Ces étapes sont répétées pour chaque type de cellule, créant une carte du cerveau plus riche et plus complète à chaque passage.

Travailler ensemble pour construire une carte du cerveau

Les scientifiques ont maintenant les outils pour examiner l'ensemble du cerveau dans les moindres détails. Des efforts considérables ont été déployés pour coordonner et regrouper les données des laboratoires de recherche sur la cartographie cérébrale afin de créer des cartes cérébrales complètes. Par exemple, l' US BRAIN Initiative a créé le BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) auquel mon laboratoire participe. Les groupes de recherche collaborant au réseau ont récemment publié la carte la plus complète des types de cellules dans le cortex moteur du cerveau chez les humains, les singes et les souris.

Mais est-ce suffisant pour comprendre comment fonctionne le cerveau ?

Les progrès techniques de la coloration cellulaire et de la microscopie ont aidé Santiago Ramón y Cajal à faire sa découverte cruciale sur les neurones. Cependant, c'est sa capacité à proposer une théorie pour expliquer ses observations qui a fait progresser la compréhension du cerveau par les neuroscientifiques.

Alors que les chercheurs ont été occupés à collecter des informations incroyablement détaillées sur le cerveau, l'utilisation de ces données pour créer de nouvelles théories sur le fonctionnement du cerveau est à la traîne. Une carte des cellules ne dit pas nécessairement aux chercheurs comment les cellules fonctionnent et interagissent les unes avec les autres dans leur ensemble.

Par exemple, comment ces réseaux incroyablement complexes de types de cellules cérébrales fonctionnent-ils ensemble pour générer la cognition ? Existe-t-il une unité de base dans le cerveau qui oriente sa formation et son fonctionnement ?

Répondre à de telles questions aidera les chercheurs à comprendre comment des changements cérébraux spécifiques sont liés à différents troubles cérébraux comme la démence et à proposer de nouvelles stratégies pour les traiter.

C'est une période très excitante pour la recherche en neurosciences. Une cartographie cérébrale incroyablement riche et à haute résolution offre aux neuroscientifiques une excellente occasion de réfléchir en profondeur à ce que ces nouvelles données disent sur le fonctionnement du cerveau. Bien qu'il existe encore de nombreuses inconnues sur le cerveau, ces nouveaux outils et techniques pourraient aider à les mettre en lumière.

 

À propos de cette actualité sur la recherche en cartographie cérébrale

Auteur : Yongsoo Kim
Source : The Conversation
Contact : Yongsoo Kim – The Conversation
Image : L'image est créditée à Andriy Onufriyenko

 

Décembre 2021

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