Déchiffrer les secrets du cerveau

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Adrian Wanner se réjouit de la reconnaissance internationale exceptionnelle de l
Adrian Wanner se réjouit de la reconnaissance internationale exceptionnelle de l’Institut national de la santé des États-Unis (NIH). (Photo : Scanderbeg Sauer Photography)

Les chercheurs du PSI reçoivent un soutien de l’Institut national de la santé des États-Unis (NIH) dans le cadre de l’initiative dite "BRAIN". L’objectif est d’établir une cartographie complète du cerveau de la souris.

Percer les secrets du cerveau, notamment son architecture et ses connexions, est l’un des grands défis des sciences de la vie modernes. C’est pourquoi les autorités sanitaires américaines NIH (National Institutes of Health), l’une des plus grandes organisations de recherche au monde, ont inscrit cette mission à leur programme. Dans le cadre de l’initiative NIH BRAIN, un chercheur suisse vient de se voir attribuer une subvention de pointe pouvant atteindre 2,6 millions de dollars : Le neurobiologiste Adrian Wanner, chef de groupe à l’Institut Paul Scherrer PSI, est le principal responsable du projet. Andreas Schaefer, du Francis Crick Institute de Londres, est également impliqué dans ce projet.

La décision des NIH d’investir cette somme dans un projet mené dans un institut suisse témoigne de la compétitivité exceptionnelle des chercheurs suisses et confirme le PSI comme centre de recherche de pointe au niveau mondial. "Recevoir une telle subvention en tant que jeune chef de groupe de travail, qui plus est de l’étranger, n’est pas chose courante et témoigne de son grand talent scientifique et de la confiance que la communauté internationale accorde à la Suisse en tant que site de recherche", se réjouit Gebhard Schertler, responsable du domaine de biologie et de chimie, de la bonne nouvelle venue des États-Unis. Schaefer ajoute : "Ce soutien renforcera encore la collaboration existante entre nos groupes et instituts".

Explorer l’une des structures les plus complexes de la nature

Le cerveau est l’une des structures les plus complexes de la nature. Ainsi, l’organe de la pensée humaine contient environ 100 milliards de cellules cérébrales et un nombre multiple de connexions, appelées synapses. Selon les chercheurs, la manière dont le cerveau traite les informations complexes de l’environnement et les transforme en pensées, décisions et actions ne peut être expliquée que si les schémas de connexion des cellules cérébrales sont connus. La science parle de connectome, une sorte de schéma de câblage du cerveau. Il est possible d’en extraire des informations détaillées sur les schémas de connexion des différents types de cellules du cerveau, ce qui est notamment fondamental pour la compréhension des maladies cérébrales comme la maladie d’Alzheimer.

Le chemin est laborieux, comme l’a déjà montré le décryptage du connectome du nématode Caenorhabditis elegans, achevé en 1986 après des années de recherche. Le cerveau du ver ne contient certes que 302 cellules nerveuses avec 5000 synapses, mais sa cartographie est néanmoins considérée comme une étape importante de la recherche sur le cerveau. Pour obtenir le connectome d’un cerveau ou d’un échantillon de cerveau, les chercheurs découpent le tissu en tranches minuscules. Ils les colorent ensuite et analysent les tranches ultrafines de 30 à 40 nanomètres d’épaisseur avec une haute résolution au microscope électronique. Les images ainsi obtenues permettent de reconstruire les cellules nerveuses et leurs connexions, appelées synapses, et de déterminer les différents types de cellules. Chez le nématode, les cellules nerveuses ont encore pu être reconstruites à la main. Pour les cerveaux plus grands, cela n’est plus possible. Ainsi, la reconstruction manuelle du connectome d’un cerveau de mouche nécessiterait déjà environ 2000 années-personnes. Cela signifie que 50 personnes ne devraient rien faire d’autre pendant toute leur vie professionnelle de 40 ans.

Décrypter l’organe de la pensée avec l’intelligence artificielle

Ces dernières années, les chercheurs sont toutefois parvenus à automatiser ce processus de reconstruction. Les progrès de l’imagerie et l’utilisation de l’intelligence artificielle (IA) ont réduit l’intervention humaine d’un facteur 50. "C’est presque fou de voir à quel point l’IA fonctionne bien", se réjouit Wanner. Ainsi, ses collègues de l’université de Princeton ont récemment effectivement reconstruit le connectome d’une mouche de manière presque entièrement automatique - il ne fallait "plus qu’environ" 50 années-personnes pour la correction manuelle par l’homme. Si l’on parvient à automatiser davantage le processus, l’élucidation du connectome de petits mammifères, comme une souris, est même à portée de main. C’est l’objectif de la stratégie et du soutien des NIH dans le cadre de l’initiative BRAIN.

Le procédé décrit présente encore un inconvénient. Les coupes ultrafines de l’ordre de 30 à 40 nanomètres sont difficiles à manipuler. Des erreurs se produisent lors de l’application sur la lame, certaines coupes se perdent, se cassent, se plissent ou le couteau laisse des entailles. Plus de 50 pour cent des erreurs des algorithmes d’analyse de l’IA peuvent être attribuées à des imperfections dans les coupes en série. Cela signifie que pour le moment, les résultats de l’IA doivent encore être vérifiés manuellement. Cela prend en moyenne une semaine de travail pour une seule cellule nerveuse dans le cerveau de la souris - et c’est donc beaucoup trop long.

Un procédé issu de la fabrication de puces électroniques aide

L’équipe du PSI-Crick adopte donc une autre approche qui devrait rendre l’imagerie plus robuste et ainsi être décisive pour la recherche sur le connectome de la souris : Elle réalise d’abord des coupes d’une épaisseur comprise entre 250 et 500 nanomètres, car les coupes plus épaisses sont beaucoup plus faciles à manipuler. Ensuite, des images des coupes sont prises à l’aide d’un microscope électronique à transmission à balayage multifaisceaux. Ensuite, un faisceau d’ions à large bande fraise une couche de quelques nanomètres de l’échantillon, après quoi toute la procédure est répétée. "Nous avons emprunté ce procédé aux fabricants de puces électroniques", explique Wanner. Après 25 à 50 étapes de polissage, l’ensemble de la coupe est analysé et l’ordinateur peut déterminer une image 3D à haute résolution à partir des valeurs différentielles des différentes étapes.

Moins d’erreurs lors de la coupe et une résolution plus élevée grâce au polissage avec le faisceau d’ions à large bande fournissent aux algorithmes d’intelligence artificielle de meilleures informations pour reconstruire les cellules nerveuses. Comme les coupes ne sont pas balayées par un seul faisceau d’électrons, mais par 64 faisceaux parallèles, l’imagerie est en outre très rapide et fiable. Les premiers essais préliminaires, qui faisaient partie de la demande de recherche auprès des NIH, montrent déjà que la nouvelle approche méthodologique fonctionne. Les trois prochaines années permettront de déterminer si la recherche sur le connectome de la souris pourra ainsi réaliser des économies et des accélérations décisives. Le projet PSI-Crick est financé par les NIH pour cette période.

texte : Werner Siefer




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