Google et Harvard dévoilent la carte la plus détaillée du cerveau humain jamais réalisée | Dmshaulers

Google et Harvard dévoilent la carte la plus détaillée du cerveau humain jamais réalisée

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Il y a dix ans, le Dr. Jeff Lichtman – professeur de biologie moléculaire et cellulaire à l’Université Harvard – un petit échantillon de cerveau dans son laboratoire.

Même s’il était petit, il était suffisamment grand pour contenir 1 millimètre cube de tissu. contenir 57 000 cellules, 230 millimètres de vaisseaux sanguins et 150 millions de synapses.

“C’était plus petit qu’un grain de riz, mais nous avons commencé à le couper et à le regarder et c’était vraiment beau”, a-t-il déclaré. “Mais au fur et à mesure que nous accumulions les données, j’ai réalisé que nous avions bien plus que ce que nous pouvions gérer.”

Au final, Lichtman et son équipe se sont retrouvés avec 1 400 téraoctets de données de l’échantillon, soit environ 1 000 téraoctets de données. contenu de plus d’un milliard de livres. Aujourd’hui, après une décennie de collaboration étroite entre l’équipe du laboratoire et les scientifiques de Google, ces données sont devenues la carte la plus détaillée d’un échantillon de cerveau humain jamais créée.

L’échantillon de cerveau provenait d’un patient souffrant d’épilepsie sévère. C’est une procédure standard, a déclaré Lichtman, de retirer une petite partie du cerveau pour arrêter les crises, puis d’examiner les tissus pour s’assurer qu’ils sont normaux. “Mais c’était anonymisé, donc je ne savais presque rien du patient autre que son âge et son sexe”, a-t-il déclaré.

Pour analyser l’échantillon, Lichtman et son équipe l’ont d’abord coupé en fines sections à l’aide d’un couteau doté d’une lame en diamant. Les coupes ont ensuite été incrustées dans une résine dure et à nouveau tranchées, très finement. “Environ 30 nanomètres, soit environ 1 000 de l’épaisseur d’un cheveu humain. Ils étaient en grande partie invisibles si nous ne les avions pas colorés avec des métaux lourds, ce qui les rendait visibles lorsque nous faisions de l’imagerie électronique”, a-t-il déclaré. .

L’équipe s’est retrouvée avec plusieurs milliers de tranches, qui ont été captées avec une bande faite sur mesure, créant une sorte de pellicule : « Si vous prenez une photo de chacune de ces sections et alignez ces images, vous obtenez une tranche tridimensionnelle de le cerveau au niveau microscopique.

C’est à ce moment-là que les chercheurs ont réalisé qu’ils avaient besoin d’aide avec les données, car les images résultantes occuperaient une quantité importante d’espace de stockage.

Lichtman savait que Google travaillait sur une carte numérique d’un Cerveau de mouche des fruits, sorti en 2019, et disposait du matériel informatique adapté à cette tâche. Il a contacté Viren Jain, chercheur principal chez Google qui travaillait sur le projet mouche des fruits.

“Il y avait 300 millions d’images distinctes (dans les données de Harvard)”, a déclaré Jain. “Ce qui fait qu’il y a autant de données, c’est que vous prenez des photos à très haute résolution, au niveau d’une synapse individuelle. Et rien que dans ce petit échantillon de tissu cérébral, il y avait 150 millions de synapses.”

Pour donner un sens aux images, les chercheurs ont Google a utilisé un traitement et une analyse basés sur l’IA pour identifier le type de cellules présentes dans chaque image et comment elles étaient connectées. Le résultat est un modèle 3D interactif du tissu cérébral et le plus grand ensemble de données jamais réalisé avec cette résolution sur une structure cérébrale humaine. Google l’a rendu disponible en ligne sous le nom “Neuroglancer“, et une étude a été publiée dans la revue Science en même temps avec Lichtman et Jain parmi les co-auteurs.

Comprendre le cerveau

La collaboration entre les équipes de Harvard et de Google a abouti à des images colorées qui rendent les composants individuels plus visibles, mais qui, par ailleurs, constituent une véritable représentation du tissu.

“Les couleurs sont complètement arbitraires”, a expliqué Jain, “mais au-delà de cela, il n’y a pas beaucoup de licence artistique ici. Le problème est que nous ne l’inventons pas – ce sont les vrais neurones, le vrai câblage qui est en place.” ce cerveau, et nous le rendons simplement pratique et accessible aux biologistes pour le voir et l’étudier.

Les données contenaient quelques surprises. Par exemple, au lieu de former une seule connexion, les paires de neurones en ont plus de 50. « C’est un peu comme si deux maisons d’un pâté de maisons étaient reliées par 50 lignes téléphoniques distinctes. Que se passe-t-il là-bas ? Pourquoi sont-elles si étroitement liées ? Nous ne savons pas encore quelle est la fonction ou la signification de ce phénomène, nous devrons l’étudier plus en détail”, a-t-il déclaré.

À terme, observer le cerveau à ce niveau de détail pourrait aider les chercheurs à comprendre des problèmes médicaux non résolus, selon Lichtman.

” Que signifie comprendre notre cerveau ? Peut-être que le mieux que nous puissions faire est de le décrire, et d’espérer que de ces descriptions émergera une prise de conscience, par exemple sur la façon dont les cerveaux normaux diffèrent des cerveaux perturbés, dans les maladies psychiatriques adultes ou les troubles du développement comme le spectre autistique – ce genre de comparaison sera très précieux », a-t-il déclaré douteux.

Lichtman pense également que l’ensemble de données pourrait contenir d’autres détails étonnants qui, en raison de sa taille, n’ont pas encore été découverts : “Et c’est pourquoi nous le partageons en ligne, afin que tout le monde puisse le consulter et trouver des choses”, a-t-il ajouté. .

Un seul neurone (blanc) représenté avec 5 600 axones (bleu) qui s'y connectent.  Les synapses qui établissent ces connexions sont indiquées en vert.  Le corps cellulaire (le noyau central) du neurone mesure environ 14 micromètres de diamètre.

Ensuite, l’équipe à l’origine du projet vise à créer une carte complète du cerveau d’une souris, ce qui nécessiterait entre 500 et 1 000 fois la quantité de données provenant de l’échantillon de cerveau humain.

“Cela signifierait 1 exaoctet, soit 1 000 pétaoctets”, a déclaré Lichtman. « De nombreuses personnes réfléchissent soigneusement à la manière dont nous allons procéder, et nous sommes dans la première année d’une démonstration de principe de cinq ans. Je pense que ce serait un moment décisif pour les neurosciences de disposer d’un schéma complet de câblage du cerveau des mammifères ; cela répondrait à de très nombreuses questions. Et bien sûr, cela révélerait bien d’autres problèmes, des choses auxquelles nous ne nous attendions pas.»

Que diriez-vous de cartographier un cerveau humain entier ? Ce serait encore 1 000 fois plus grand, a expliqué Lichtman, ce qui signifie que les données s’élèveraient à 1 zettaoctet. En 2016, cela représentait la taille de tout le trafic Internet de l’année, selon Cisco. Actuellement, a déclaré Lichtman, non seulement il serait difficile de stocker autant de données, mais il n’existerait aucun moyen éthiquement acceptable d’obtenir un cerveau humain intact et bien conservé.

Des chercheurs du même domaine qui n’ont pas participé aux travaux ont exprimé leur enthousiasme lorsqu’ils ont été contactés par CNN pour commentaires.

“Cette étude est merveilleuse et il y a tellement de choses à apprendre de données comme celle-ci”, a déclaré Michael Bienkowski, professeur adjoint de physiologie et de neurosciences à la Keck School of Medicine de l’Université de Californie du Sud.

“Une grande partie de ce que nous pensons comprendre du cerveau humain est extrapolée à partir d’animaux, mais des recherches comme celle-ci sont cruciales pour découvrir ce qui fait réellement de nous des humains. Visualiser les neurones et autres cellules cérébrales est vraiment un défi en raison de leur densité et de leur complexité, et l’ensemble de données actuel ne prend pas en compte les connexions à plus longue portée”, a déclaré Bienkowski.

“De quelles autres régions du cerveau proviennent ces entrées et où vont les sorties lorsqu’elles quittent la zone ? Mais voir tous ces différents types de cellules et leurs interactions est incroyable et vous fait apprécier ce qu’un chef-d’œuvre de la vie architecturale nous a donné”, a ajouté il.

Andreas Tolias, professeur d’ophtalmologie à l’Université de Stanford en Californie, est du même avis. “Il s’agit d’une étude technique remarquable qui reconstitue la structure du cortex humain en haute résolution”, a-t-il déclaré. “J’ai été particulièrement enthousiasmé par la découverte d’axones rares capables de former jusqu’à 50 synapses. Cette découverte est passionnante et soulève des questions importantes sur leurs rôles informatiques.”

Un rendu montre tous les neurones excitateurs (pyramidaux) dans une section de l'échantillon de cerveau, à différents degrés de grossissement et d'inclinaison.  Ils sont colorés selon leur taille ;  le corps cellulaire (le noyau central) des cellules varie de 15 à 30 micromètres de diamètre.

Le projet de cartographie cérébrale ouvre la porte à de futures études, selon le neuroscientifique Olaf Sporns.

“Chaque cerveau humain est un vaste réseau de milliards de cellules nerveuses”, a déclaré Sporns, professeur distingué de psychologie et de sciences du cerveau à l’Université d’Indiana. “Ce réseau permet aux cellules de communiquer selon des schémas très spécifiques qui sont fondamentaux pour la mémoire, la pensée et le comportement. Cartographier ce réseau, le connectome humain, est crucial pour comprendre le fonctionnement du cerveau”, a-t-il ajouté, soulignant que l’étude innove. terre vers cet objectif important et offre de nouvelles opportunités passionnantes d’exploration et de découverte.

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