Des scientifiques cartographient des détails sans précédent des connexions et de la perception visuelle dans le cerveau de la souris

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Mercredi 9 avril 2025

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Un projet financé par le NIH aide à démêler le câblage du cerveau, donnant des indices sur la façon dont nous voyons le monde.

Cette image montre un sous-ensemble de plus de 1 000 des 120 000 cellules cérébrales reconstruites dans le cadre du projet MICRONS. Chaque neurone reconstruit est d’une couleur aléatoire différente. Il s’agit d’une représentation symbolique de l’ensemble de données. Il y a beaucoup plus de neurones enregistrés que de neurones qui brillent, et beaucoup plus de neurones reconstruits que ceux qui ont été intégrés au rendu. Allen Institute

Quoi

Dans le cadre d’un effort scientifique massif financé par les National Institutes of Health (NIH), des centaines de chercheurs ont aidé à cartographier les connexions entre des centaines de milliers de neurones dans le cerveau de la souris, puis ont superposé leurs schémas de déclenchement en réponse à des stimuli visuels. Cette avancée scientifique fondamentale est essentielle pour comprendre comment notre cerveau traite l’information visuelle afin de reconstituer les images que nous voyons au quotidien.

Le traitement de l’information dans le cerveau humain s’effectue par l’activation électrique de 86 milliards de neurones qui établissent des milliards de connexions entre eux. Les secrets de la façon dont notre cerveau nous permet de penser, de ressentir et d’agir résident dans la complexité de son schéma de câblage et dans le flot de signaux électriques qui le traversent en quelques millisecondes. Bien que les résultats actuels se concentrent sur une infime partie du cerveau, ils révèlent les connexions complexes entre les cellules et montrent comment ces connexions sont câblées pour produire des réponses fonctionnelles. Ces informations, jusqu’alors inaccessibles, pourraient nous aider à comprendre le fonctionnement normal du cerveau et nous aider à identifier les dysfonctionnements résultant de divers troubles ou blessures.

Pour mener à bien cette étude, les chercheurs ont présenté des clips vidéo à des souris génétiquement modifiées pour que leurs neurones émettent de la lumière lorsqu’ils s’activent. Les schémas d’activation des neurones dans les zones de la surface cérébrale associées à la vision ont été enregistrés optiquement sur un millimètre cube, soit environ la taille d’un grain de sable. Au cœur de cette quantité étonnamment petite de tissu se cache une complexité remarquable: quatre kilomètres d’axones, les processus que les cellules nerveuses utilisent pour communiquer entre elles, s’entrelacent pour former plus de 524millions de connexions appelées synapses à travers plus de 200000cellules.

Pour cartographier ces connexions, les équipes ont travaillé 12heures par jour pendant 12jours consécutifs pour découper et imager soigneusement des tranches ultra-fines de tissu cérébral à l’aide de microscopes électroniques (ME). La reconstruction a été l’étape suivante la plus difficile, car elle a nécessité l’assemblage précis de près de 28000images ME afin d’aligner les connexions qui traversent le volume de tissu cérébral. S’en sont suivis des mois de traçage des connexions à l’aide d’algorithmes d’apprentissage profond, suivis d’une relecture manuelle et automatisée. Des modèles prédictifs d’apprentissage profond expliquant le traitement de l’information visuelle dans le cortex ont été construits et validés. Au total, la quantité de données collectées pour créer cette minuscule carte s’élève à 1,6pétaoctet, soit environ l’équivalent de 22ans de vidéo HD continue.

Ces résultats surviennent à un moment où les cartes des neurones et de leurs connexions révèlent de plus en plus les mystères du cerveau. En 2023, des recherches financées par l’initiative «Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies ®» des National Institutes of Healthou «NIH BRAIN Initiative®», ont produit le premier atlas cellulaire complet du cerveau de la souris, incluant les types et les emplacements étudiés sur plus de 32 millions de cellules. L’année dernière, le projet «Flywire» de l’initiative «NIH BRAIN» a conduit à la cartographie complète du cerveau de la drosophile commune, démontrant l’intérêt unique de cartographier l’ensemble du cerveau.

Le financement de ce projet a été assuré par le programme «Machine Intelligence from Cortical Networks» (MICrONS) de l’Intelligence Advanced Research Projects Activity et l’initiative «NIH BRAIN». Les résultats, publiés dans un ensemble de 10 articles parus dans la famille de revues Nature représentent plus de sept années de travail réalisées par plus de 150 scientifiques du monde entier.

Les données du connectome de souris détaillées dans ce communiqué de presse peuvent être visualisées en ligne à l’aide de la ressource MICrONS Explorer.

Qui

John Ngai, Ph.D., directeur de la NIH BRAIN Initiative, est disponible pour commentaires.

Article

Les articles du consortium MICrONS et al. sont disponibles ici.

La NIH BRAIN Initiative, une collaboration multidisciplinaire regroupant 10 instituts et centres du NIH, est particulièrement bien placée pour réaliser des découvertes transversales en neurosciences afin de révolutionner notre compréhension du cerveau humain. En accélérant le développement et l’application de neurotechnologies innovantes, la BRAIN Initiative® permet aux chercheurs de comprendre le cerveau à des niveaux de détail sans précédent, tant en santé qu’en maladie, améliorant ainsi la façon dont nous traitons, prévenons et guérissons les troubles cérébraux. La BRAIN Initiative implique un réseau multidisciplinaire de partenaires fédéraux et non fédéraux dont les missions et les portefeuilles de recherche actuels complètent les objectifs de la NIH BRAIN Initiative.

À propos du National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS): Le NINDS est le principal bailleur de fonds national pour la recherche sur le cerveau et le système nerveux. Sa mission est d’acquérir des connaissances fondamentales sur le cerveau et le système nerveux et de les utiliser pour réduire le fardeau des maladies neurologiques.

À propos des National Institutes of Health (NIH): Le NIH, l’agence nationale de recherche médicale, regroupe 27 instituts et centres et fait partie du ministère américain de la Santé et des Services sociaux. Le NIH est la principale agence fédérale qui mène et soutient la recherche médicale fondamentale, clinique et translationnelle, et étudie les causes, les traitements et les remèdes des maladies courantes et rares. Pour plus d’informations sur le NIH et ses programmes, consultez www.nih.gov.

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