La carte du cerveau la plus avancée à ce jour, celle d’un ravageur, rapproche les scientifiques d’une véritable compréhension du système d’idées.
Les scientifiques ont produit un diagramme d’une profondeur à couper le souffle retraçant chaque connexion neuronale dans le cerveau d’une larve de mouche des fruits, un modèle clinique stéréotypé avec des cerveaux similaires à ceux des êtres humains.
Le travail, le plus susceptible d’étayer la recherche future sur le cerveau et d’inspirer de nouvelles architectures de découverte de dispositifs, apparaît dans le journal.
« Si nous voulons comprendre qui nous sommes et comment nous pensons, une partie de cela est sous tenir le mécanisme de la pensée », déclare l’auteur principal Joshua T. Vogelstein, ingénieur biomédical à l’Université Johns Hopkins qui se concentre sur les travaux axés sur les données consistant en la connectomique, l’étude des connexions du système nerveux. « Et le secret pour cela est de savoir comment les neurones entrent en contact les uns avec les autres. »
La première tentative de cartographie d’un cerveau – une étude de recherche de 14 ans sur le ver rond commencée dans les années 1970, a conduit à une carte partielle et un prix Nobel. Depuis lors, des connectomes partiels ont été cartographiés dans de nombreux systèmes, comprenant des mouches, des souris et même des humains, mais ces restaurations ne représentent généralement qu’une infime fraction du cerveau total.
Des connectomes complets viennent d’être créés pour un certain nombre de petits types avec quelques centaines à quelques milliers de cellules nerveuses dans leur corps : un ascaris, une ascaris larvaire et un ver annélide marin larvaire.
Le connectome d’un bébé fruit de ce groupe mouche, larve, est la carte la plus complète et la plus complète jamais réalisée d’un cerveau d’insecte entier. Il se compose de 3 016 neurones et de toutes les connexions entre eux : 548 000.
« Cela fait 50 ans et c’est le premier connectome cérébral. C’est un drapeau dans le sable que nous puissions faire cela », déclare Vogelstein. « Tout s’est en fait développé pour cela. »
Carte des connexions cérébrales
Cartographier des cerveaux entiers est difficile et prend énormément de temps, même avec la meilleure technologie moderne. Pour obtenir une image totale au niveau cellulaire d’un cerveau, il faut découper le cerveau en centaines ou milliers d’échantillons de tissus individuels, qui doivent tous être imagés avec des microscopes électroniques avant la procédure laborieuse de reconstruction de toutes ces pièces, cellule nerveuse par neurone, en un portrait complet et précis d’un cerveau.
Il a fallu plus d’une décennie pour faire cela avec la mouche des fruits infantile. On estime que le cerveau d’une souris est un million de fois plus gros que celui d’une mouche des fruits infantile, ce qui indique que la possibilité de cartographier quoi que ce soit à proximité d’un cerveau humain n’est pas très probable dans le futur, peut-être même pas de notre vivant. /p>
Le groupe a délibérément choisi la larve de la mouche des fruits car, pour un insecte, l’espèce partage une grande partie de sa biologie essentielle avec les humains, y compris une base génétique équivalente. Il possède également de riches comportements de connaissance et de prise de décision, ce qui en fait un organisme de conception bénéfique en neurosciences. Et pour des raisons pratiques, son cerveau assez compact peut être imagé et ses circuits reconstruits dans un laps de temps abordable.
Cependant, le travail a pris 12 ans à l’Université de Cambridge et à Johns Hopkins. L’imagerie à elle seule a pris environ une journée par neurone.
Les chercheurs de Cambridge ont produit les images haute résolution du cerveau et les ont étudiées à la main pour découvrir des cellules nerveuses individuelles, en traçant soigneusement chacune d’entre elles et en connectant leurs connexions synaptiques.
Cambridge a transmis les informations à Johns Hopkins, où le groupe a investi plus de trois ans en utilisant le code initial qu’ils ont créé pour évaluer la connectivité du cerveau. L’équipe de Johns Hopkins a développé des stratégies pour trouver des groupes de neurones basés sur des modèles de connectivité partagés, et a ensuite analysé comment les détails pourraient se propager à travers le cerveau.
En fin de compte, l’équipe complète a cartographié chaque neurone et chaque connexion, et classé chaque cellule nerveuse selon la fonction qu’elle joue dans le cerveau. Ils ont découvert que les circuits les plus actifs du cerveau étaient ceux qui menaient vers et loin des cellules nerveuses du centre connaissant.
Contrastes cérébraux
Les méthodes établies par les chercheurs sont applicables à toute tâche de connexion cérébrale , et leur code est disponible pour quiconque essaie de cartographier un cerveau animal encore plus grand, déclare Vogelstein, ajoutant que malgré les défis, les scientifiques devraient s’attaquer à la souris, peut-être dans les prochaines années.
Autres équipes travaillent actuellement sur une carte du cerveau des mouches des fruits adultes. Le co-premier auteur Benjamin Pedigo, candidat au doctorat en génie biomédical de Johns Hopkins, s’attend à ce que le code de l’équipe puisse aider à révéler des comparaisons importantes entre les connexions dans le cerveau adulte et larvaire. Comme les connectomes sont produits pour plus de larves et d’autres espèces associées, Pedigo s’attend à ce que leurs méthodes d’analyse permettent une bien meilleure compréhension des variations du câblage électrique du cerveau.
Les travaux sur les larves de mouches des fruits ont montré des fonctions de circuit qui rappelaient de manière frappante dispositif de premier plan et efficace pour découvrir les architectures. Le groupe s’attend à ce que des études de recherche continues révèlent beaucoup plus de concepts informatiques et motivent potentiellement de tout nouveaux systèmes d’intelligence artificielle.
« Ce que nous avons découvert sur le code des mouches des fruits aura des implications sur le code pour les gens », déclare Vogelstein . « C’est ce que nous souhaitons comprendre – comment composer un programme qui aboutit à un réseau cérébral humain. »
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