Dans ce qui est décrit comme une « étape majeure » pour la neuroscience, une équipe comprenant plus de 150 neurocientifiques et chercheurs de diverses institutions, regroupés dans le projet MICrONS, a atteint cet exploit après sept ans de travail, en utilisant des données provenant d’un seul millimètre cube de tissu, pas plus grand qu’une graine de chia.
Parmi l’équipe de scientifiques figure un Portugais, Nuno Maçarico da Costa, affilié à l’Allen Institute, partenaire du projet MICrONS, situé aux États-Unis.
Nuno Maçarico da Costa a obtenu sa licence en biologie à la Faculté des sciences de l’Université de Lisbonne, avant de poursuivre ses études à Copenhague, au Danemark, où il a étudié les interactions entre l’hippocampe et le cortex préfrontal chez les rats.
Après cette période, Nuno est retourné au Portugal pour intégrer le Programme Gulbenkian de Doctorat en Biologie et Médecine. Il a réalisé ses recherches doctorales à l’Institut de neuroinformatique de Zurich, où il a obtenu un doctorat en sciences naturelles à l’Institut fédéral suisse de technologie.
Le schéma électrique et ses données, comprenant environ 84 000 neurones et près de 500 millions de synapses, sont librement accessibles via le MICrONS Explorer, avec une taille de 1,6 petabytes (équivalent à 22 années de contenu vidéo HD continu).
Les avancées du projet MICrONS, pour lesquelles des outils d’intelligence artificielle ont été utilisés, ont été publiées mercredi dans dix articles des revues Nature et Nature Methods. Elles constituent « une étape majeure pour la neuroscience, comparable au Projet Génome Humain par son potentiel transformateur », résume David A. Markowitz, coordinateur des travaux.
Une cartographie de la connectivité, de la forme et de la fonction neuronales d’une portion du cerveau de la taille d’un grain de sable n’est pas seulement « une merveille scientifique », mais c’est aussi une avancée dans la compréhension des origines insaisissables de la pensée, de l’émotion et de la conscience.
Cependant, elle a aussi des implications pour des maladies telles que la maladie d’Alzheimer, Parkinson, l’autisme et la schizophrénie, qui impliquent des perturbations dans la communication neuronale.
« Si nous avons une radio en panne et que nous avons le schéma du circuit, nous sommes mieux placés pour la réparer », a déclaré Nuno Maçarico da Costa, actuellement chercheur à l’Allen Institute, dans un communiqué.
« Nous décrivons une sorte de ‘Google Map’ ou de plan de ce grain de sable. À l’avenir, nous pourrions l’utiliser pour comparer le câblage cérébral d’un rat sain avec celui d’un modèle de maladie », a ajouté le chercheur.
Ces données offrent « des informations sans précédent » sur le fonctionnement du cerveau et l’organisation du système visuel, selon les chercheurs.
Pour compléter cet atlas, les scientifiques du Baylor College of Medicine, aux États-Unis, ont utilisé des microscopes spécialisés pour enregistrer l’activité cérébrale sur une petite portion du cortex visuel de la souris pendant qu’elle visionnait plusieurs vidéos.
Ensuite, les chercheurs de l’Allen Institute ont divisé ce millimètre cube du cerveau en plus de 25 000 fines couches et ont utilisé une série de microscopes électroniques pour saisir des images haute résolution de chaque portion.
Enfin, une autre équipe de l’Université de Princeton (États-Unis) a utilisé l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique pour reconstruire les cellules et les connexions dans un volume tridimensionnel.
Combiné avec des enregistrements d’activité cérébrale, le résultat est le plus grand schéma de connexions et la carte fonctionnelle du cerveau jamais réalisé, comprenant plus de 200 000 cellules, soit 84 000 neurones, quatre kilomètres d’axones (branches qui relient à d’autres cellules) et 523 millions de synapses (points de connexion entre les cellules).
Les résultats révèlent de nouveaux types de cellules, leurs caractéristiques, ainsi que des principes organisationnels et fonctionnels. Parmi les plus remarquables figure la découverte d’un nouveau principe d’inhibition dans le cerveau.
Aupa ravant, les scientifiques pensaient que les cellules inhibitrices (celles qui suppriment l’activité neuronale) constituaient une simple force pour atténuer l’action d’autres cellules.
Néanmoins, ils ont découvert un niveau de communication beaucoup plus sophistiqué ; les cellules inhibitrices ne fonctionnent pas de manière aléatoire, mais sont très sélectives dans le ciblage des cellules excitatrices, créant ainsi un système de coordination et de coopération au sein du réseau.