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Google aide les scientifiques de Harvard à cartographier le cerveau humain en détail

Le résultat est la carte numérique la plus détaillée, ou « connectome », du cerveau humain jamais créée.

Jeudi, Lichtman et ses partenaires ont dévoilé le résultats de leurs efforts dans la prestigieuse revue Science, et également publiés sur le rendus Internet du cerveau humain comme on n’en a jamais vu. Ils sont livrés avec un programme qui permet aux téléspectateurs de se déplacer à travers un paysage extraterrestre microscopique si détaillé que Lichtman ne peut s’empêcher de devenir poétique lorsqu’il en parle.

« C’est un monde étranger dans votre propre tête », a-t-il déclaré. « Les neurones eux-mêmes sont d’une beauté vraiment impressionnante. Il n’y a pas deux solutions.

Il est vrai que les enseignements tirés de ce petit échantillon n’ont pas encore résolu les mystères de l’autisme, de la schizophrénie ou de la dépression. Ils ne peuvent pas encore expliquer les mécanismes de l’apprentissage, de la mémoire et de la personnalité humaine au niveau cellulaire. Mais ils représentent un premier pas important dans cette direction et donnent un aperçu alléchant du type de perspectives que nous pourrions voir dans les décennies à venir.

Dans ce paysage complexe se trouvent des structures étranges jamais vues auparavant et qui ne figurent dans aucun manuel scolaire, y compris, selon les mots de Lichtman, « fantastiquement étranges ». cellules nerveuses qui pointent dans l’une des deux directions exactement opposées l’une de l’autre. Les axones, les câbles à fibres optiques longue distance du cerveau, qui détournent des lignes droites vers d’étranges « tourbillons » qui ressemblent à des turbans – puis se défont et se résolvent en lignes droites. Le but de bon nombre de ces étranges anomalies restent un sujet d’étude future.

Images de certaines des mystérieuses structures cérébrales que l’équipe de Lichtam a pu cartographier avec l’aide des chercheurs de Google. Harvard/Google

Certaines génèrent déjà des théories potentiellement révolutionnaires et pourraient révéler de nouvelles informations fondamentales sur le fonctionnement du cerveau. Le plus remarquable, a déclaré Lichtman, est la découverte de ce qui semble être un nouveau type extrêmement rare de « super connexion » qui relie les individus neurones aux fibres axonales porteuses d’informations qui sillonnent le cerveau. Chaque super connexion contient un fouillis d’une cinquantaine de protubérances là où il n’y en a normalement qu’une. Ces structures, émet l’hypothèse de Lichtman, pourraient aider à expliquer comment les habitudes acquises, comme s’arrêter à un feu rouge sans réfléchir, sont gravées dans l’architecture physique du cerveau.

« Peut-être que 99 % des connexions entre les axones et les cellules cérébrales individuelles sont des connexions extrêmement faibles », explique Lichtman. Mais « ces liens solides sont si forts que les informations peuvent circuler de manière très efficace. Et c’est peut-être une façon d’expliquer le fait qu’après avoir appris quelque chose, il existe cette capacité automatique de le faire.

Le nouvel article fait partie d’une série beaucoup plus vaste de projets financés par l’initiative BRAIN, un effort scientifique massif lancé par l’administration Obama en 2013 pour révéler des informations fondamentales sur le cerveau humain.

« C’est un gros problème », a déclaré Ed Lein, neuroscientifique à l’Allen Institute for Brain Science de Seattle, qui n’a pas participé à l’étude. La cartographie est « vraiment la première du genre chez un humain ».

Lein, qui aide à diriger une autre composante de l’initiative BRAIN, a déclaré que les travaux de Lichtman pourraient contribuer à transformer notre compréhension du cerveau humain et à améliorer considérablement notre capacité à guérir les maladies.

« Nous avons tout simplement une très mauvaise compréhension de ces circuits », a-t-il déclaré. « Imaginez que votre téléphone portable est en panne et que vous ne savez rien des composants du téléphone portable ni de la façon dont ils sont connectés les uns aux autres, et que vous essayez de le réparer. Si nous ne comprenons pas du tout comment tout cela est connecté, nous avons peu de chances de pouvoir le réparer.

Le Dr Jeffrey Lichtman tenait dans ses mains une sculpture du cerveau qui lui avait été offerte par un collègue de travail au laboratoire.David L. Ryan/équipe du Globe

Initialement financé grâce à une subvention de 7 millions de dollars sur cinq ans des National Institutes of Health, le projet de Lichtman a récemment reçu 30 millions de dollars supplémentaires. sur cinq ans dans un programme connexe du NIH. L’objectif de l’agence fédérale est d’améliorer notre compréhension des maladies qui affectent la cognition et les émotions.

L’argent, qui sert également à financer d’autres Projets liésest complété par les efforts de collaboration gratuits de Google, qui a fourni la puissance informatique et la main d’œuvre d’ingénierie nécessaires pour faire avancer le projet.

Après que l’échantillon de cerveau humain ait été coloré, tranché et imagé chez Lichtman laboratoireles ingénieurs de Google ont appliqué l’apprentissage automatique pour recoudre ces tranches et appliquer des couleurs pour rendre le câblage visible à l’œil nu.

L’ampleur du défi consistant à recréer simplement cet échantillon de 1 millimètre cube du cerveau humain sous forme numérique était si grande que l’effort nécessaire pour continuer à imager un cerveau humain entier devra attendre. Une image précise de tout le cerveau humain à L’échelle serait à peu près égale à la quantité de données produites dans le monde entier en une seule année, dit Lichtman.

C’est pourquoi le prochain effort sera plus modeste : au cours des cinq prochaines années, Lichtman et ses collaborateurs visent à imager la première section de 10 millimètres cubes. d’un cerveau de souris. Le projet est une preuve de concept pour l’objectif ultime : un cerveau de souris entier, 50 fois plus gros.

« Le cerveau humain serait mille fois plus gros qu’un cerveau de souris », explique Lichtman. « Nous n’avons pas la capacité de stocker ces informations. »

Les bénéfices de tous ces efforts pourraient à terme s’avérer énormes. Google et d’autres espèrent utiliser ces résultats pour améliorer leur capacité à inventer des algorithmes d’intelligence artificielle calqués sur le cerveau humain.

Lichtman, pour sa part, espère répondre à des questions fondamentales sur l’esprit humain : comment se fait-il qu’une représentation du monde s’imprime dans nos têtes ? Quels sont les fondements physiques de la connaissance ?

Le projet l’a déjà emmené sur un territoire intellectuel où il n’aurait jamais pensé entrer. Il décrit l’expérience de s’asseoir dans son bureau avec le nouvel outil « neuroglancer » qui lui a permis de manœuvrer à travers le paysage visuel du connectome neuronal comme « merveilleuse », « magique » et « comme un fantasme ». Il voulait cliquer sur chaque cellule.

Invoquant les noms de Magellan, Amerigo Vespucci et d’autres explorateurs célèbres, Lichtman a vanté le frisson de la découverte.

« Cela ressemble beaucoup à l’utilisation du télescope Hubble ou du télescope James Webb », explique Lichtman. « Mais ce n’est pas un télescope, c’est un microscope qui nous permet de regarder à l’intérieur. Et bien sûr, il y a toutes sortes de choses là-bas que nous n’avons jamais vues auparavant. Nous explorons une terra incognita.

Le Dr Jeffrey Lichtman dirige les efforts visant à construire un schéma de câblage neuronal.David L. Ryan/équipe du Globe

Adam Piore peut être contacté à [email protected].




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