Imaginez regarder la Terre de l'espace et pouvoir écouter ce que les individus se disent.C'est à peu près à quel point il est difficile de comprendre comment fonctionne le cerveau.
Depuis la surface ridée de l'organe, zoomez dans un million de fois et vous verrez un kaléidoscope de cellules de différentes formes et tailles, qui se ramifient et se détachent les unes aux autres.Zoomer encore 100 000 fois et vous verrez le fonctionnement interne des cellules - les petites structures de chacun, les points de contact entre eux et les connexions à longue distance entre les zones cérébrales.
Scientists have made maps such as these for the worm1 and fly2 brains, and for tiny parts of the mouse3 and human4 brains.Mais ces graphiques ne sont que le début.Pour vraiment comprendre le fonctionnement du cerveau, les neuroscientifiques ont également besoin de savoir comment chacun des 1 000 types de cellules censés exister dans le cerveau se parlent dans leurs différents dialectes électriques.Avec ce genre de carte complète et finement frappée, ils pourraient vraiment commencer à expliquer les réseaux qui conduisent comment nous pensons et nous comportons.
Le Brain Initiative Cell Census Network - Motor Cortex
De telles cartes émergent, y compris dans une série d'articles publiés cette semaine qui cataloguent les types de cellules dans le cerveau.Les résultats sont diffusés des efforts du gouvernement pour comprendre et endiguer le fardeau croissant des troubles cérébraux dans leurs populations vieillissantes.Ces projets, lancés au cours de la dernière décennie, visent à tracer systématiquement les connexions du cerveau et à cataloguer ses types de cellules et leurs propriétés physiologiques.
C'est une entreprise onéreuse.«Mais en sachant que tous les types de cellules cérébrales, comment ils se connectent les uns aux autres et comment ils interagissent, ouvrira un tout nouvel ensemble de thérapies que nous ne pouvons même pas imaginer aujourd'hui», explique Josh Gordon, directeur de l'Institut national américain deSanté mentale (NIMH) à Bethesda, Maryland.
Les plus grands projets ont commencé en 2013, lorsque le gouvernement américain et la Commission européenne ont lancé des efforts de «Moonshot» pour fournir des services aux chercheurs qui aideront à casser le code du cerveau des mammifères.Ils ont chacun versé de vastes ressources dans des programmes systématiques à grande échelle avec différents objectifs.L'effort américain - qui devrait coûter US 6 $.6 milliards jusqu'en 2027 - s'est concentré sur le développement et l'application de nouvelles technologies de cartographie dans son initiative du cerveau (recherche sur le cerveau en faisant progresser les neurotechnologies innovantes) (voir «Big Brain Budgets»).La Commission européenne et ses organisations partenaires ont dépensé 607 millions d'euros (703 millions de dollars) sur le Human Brain Project (HBP), qui vise principalement à créer des simulations des circuits du cerveau et à utiliser ces modèles comme plate-forme pour les expériences.
Inspiré par ces efforts, qui se sont initialement concentrés sur les souris, en 2014, le Japon a lancé son projet de cerveau / esprit (cartographie cérébrale par le projet de neurotechnologies intégrés pour les maladies), dont une grande partie implique la cartographie des réseaux neuronaux dans le cerveau de oucou.Depuis lors, d'autres pays, dont le Canada, l'Australie, la Corée du Sud et la Chine, se sont lancés ou engagés à lancer de généreux programmes de science cérébrale avec des objectifs plus distribués.
Ces travaux en cours génèrent déjà des ensembles de données colossaux - et divers - qui seront tous ouverts à la communauté.En décembre 2020, par exemple, le HBP a lancé sa plate-forme EBRAINS pour fournir un accès à des ensembles de données à différentes échelles, les outils numériques pour les analyser et les ressources pour mener des expériences (https: // eBrains.UE).
L'un des efforts les plus importants et les plus financés, financé par l'initiative Brain, est un catalogue géant de types de cellules créés par le Brain Initiative Cell Census Network (BICCN), un consortium de 26 équipes dans les institutions de recherche américaines.Le catalogue décrit le nombre de types de cellules cérébrales différents, dans quelles proportions elles existent et comment elles sont disposées spatialement.
«Comprendre le cerveau nécessite une connaissance de ses éléments de base et de la façon dont ils sont organisés», explique Josh Huang, membre de BICCN, neurobiologiste à Duke University à Durham, en Caroline du Nord.«C'est notre point de départ pour déterminer comment un circuit neuronal est construit et fonctionne - et finalement pour comprendre les comportements complexes que ces circuits conduisent."
Un recensement des types de cellules dans le cortex moteur du cerveau
Le BICCN publie une tranche de 17 articles dans la nature le 7 octobre;Plusieurs autres articles ont déjà été publiés dans le portefeuille de la nature.Le consortium a cartographié les types de cellules dans environ 1% du cerveau de la souris et a des données préliminaires sur le cerveau des primates, y compris les humains.Il prévoit de compléter l'ensemble du cerveau de souris d'ici 2023.Les cartes font déjà allusion à certaines petites différences entre les espèces qui pourraient aider à expliquer notre sensibilité à certaines conditions spécifiques à l'homme telles que la maladie d'Alzheimer.
Les neuroscientifiques sont particulièrement enthousiastes.
Le catalogue cellulaire est une pierre de touche indispensable, explique le neuroscientifique Christof Koch, scientifique en chef du programme Mindscope au Allen Institute for Brain Science à Seattle, Washington.«Rien dans la chimie n'a de sens sans le tableau périodique, et rien ne sera logique de comprendre le cerveau sans comprendre l'existence et la fonction des types de cellules."
Chasseur de type
Il y a plus d'un siècle, le neuroscientifique espagnol Santiago Ramón y Cajal a été le premier à montrer combien de types de cellules différents il y avait dans le cerveau des mammifères.Il a taché des neurones pour qu'ils puissent être vus au microscope, puis ont fait des dessins précis et beaux de leurs formes.Parmi les quelques dizaines de types qu'il a trouvés, certains avaient des extensions - ou des axones - qui ont tendu à côté des corps de cellules blobby comme les jambes des araignées sur de longues distances.Certains avaient des axones courts;D'autres ressemblaient plus à des étoiles.Il a déduit que, parce que les axones de chaque cellule étaient très proches des corps cellulaires des autres, ils transmettaient probablement des informations.Il a partagé le prix Nobel de physiologie ou de la médecine de 1906 pour ses découvertes.
La plupart des études sur les types de cellules se sont depuis concentrées sur le cortex du cerveau, qui contrôle de nombreux comportements plus sophistiqués d'un animal.Au cours des trois dernières décennies, les neuroscientifiques ont déterminé qu'il existe trois principales classes de cellules dans le cortex, pour lesquelles les lignées peuvent être retracées à différentes étapes de développement.Il s'agit notamment de deux classes de neurones - inhibiteurs et excitateurs.Les deux transmettent des impulsions électriques, mais la première supprime l'activité dans les neurones partenaires et l'autre l'incite.La troisième classe comprend un grand nombre de cellules non neuronales qui soutiennent et protègent les neurones.
Au fil des décennies, les neuroscientifiques ont utilisé toutes les nouvelles technologies appropriées qui ont fait leur chemin pour affiner la définition de ce qui constitue un type de cellule distinct dans ces classes.Les cellules qui se ressemblent superficiellement, réalisa les chercheurs, pourrait être des types de cellules différents, selon leurs connexions avec d'autres cellules du cerveau ou régions, ou leurs propriétés électriques.
Dans le même temps, les chercheurs collectaient des données sur la façon dont les neurones se connectent ensemble dans les réseaux et quelles sont les propriétés des réseaux.(Lorsque le HBP a été lancé, il s'est concentré sur la génération des algorithmes et une puissance de calcul pour aider les chercheurs à simuler comment ces réseaux pourraient fonctionner ensemble.)
À partir des années 1990, les chercheurs ont commencé à étudier l'activité des gènes dans différents types de cellules et comment leur expression reflétait leurs propriétés.
En 2006, l'Institut Allen a créé un atlas d'expression de gènes montrant où dans le cerveau de souris, chacun de ses environ 21 000 gènes est exprimé.Il a fallu 3 ans à environ 50 employés pour construire le gène Allen Brain Atlas One à la fois - et sa valeur a été immédiatement reconnue par la communauté des neurosciences.Il est mis à jour régulièrement et continue d'être largement utilisé comme référence, aidant les scientifiques à localiser où leur gène d'intérêt est exprimé ou à étudier le rôle d'un gène particulier dans une maladie.
Pourtant, la communauté voulait plus. “We wanted to be able to see every gene that is expressed in every cell at the same time," says Hongkui Zeng, director of the Allen Institute for Brain Science.Les différents schémas d'expression des gènes dans les cellules individuelles permettraient aux chercheurs de définir le type de cellule qu'ils étaient - une tâche ambitieuse parce que le cerveau de souris contient plus de 100 millions de cellules, dont les deux tiers sont des neurones.(Le cerveau humain est trois ordres de grandeur plus grand, avec plus de 170 milliards de cellules, dont la moitié sont des neurones.)
Une technologie qui change la donne qui a émergé au milieu des années 2000 a promis d'aider à y parvenir.Les scientifiques avaient développé un moyen de séquençage de l'ARN dans les cellules uniques, une technique qui a transformé tous les domaines de la biologie au cours de la dernière décennie.Le transcriptome d'une cellule - l'ARN qui représente une lecture de tous ses gènes codant pour les protéines - est un indicateur des protéines de la cellule à un moment donné.
En 2017, la Brain Initiative a décidé de financer un réseau de laboratoires, y compris l'Institut Allen en tant qu'acteur important, pour utiliser cette méthode et d'autres technologies, voire plus récentes, pour cartographier et caractériser les types de cellules dans tout le cerveau (voir les méthodes de cartographie').Deux ans plus tard, les scientifiques du BICCN étaient prêts à commencer leurs efforts.
Fragage de séquençage
Pour leur projet pilote, les chercheurs ont choisi une cible modeste: un petit coin du cerveau de souris connu sous le nom de cortex moteur, qui traite des informations sur la planification et l'exécution du mouvement.Le cortex moteur a des homologues sans ambiguïté chez tous les mammifères, ce qui permet de comparer les résultats de la souris, des humains et d'autres espèces.Ils ont mesuré la teneur en ARN dans plus de 1.1 million individual cells and analysed how it clustered5.L'effort a pris une dizaine de scientifiques de Biccn seulement trois mois.
Ils ont trouvé 56 grappes distinctes, chacune considérée comme représentant un type de cellule différent.Une grande question est de savoir si la classification génétique d'une cellule correspond à tout ce qu'il fait, y compris comment il tire, quelle forme il a et où il se projette, dit Ed Lein de l'Institut Allen.
Lire l'article: un recensement des cellules multimodales et un atlas du cortex moteur primaire des mammifères
Jusqu'à présent, cela semble correspondre, dit-il.Lein a dirigé un projet BICCN parallèle qui a analysé les tissus cérébraux frais retirés d'un individu pendant la chirurgie pour le cancer du cerveau, en utilisant une méthode particulièrement puissante appelée patch - seq qui permet trois types distincts de mesure à partir d'une seule cellule.La technique utilise une pipette en verre spéciale qui se répartit à la membrane de la cellule, enregistre son activité électrique, insuffle un colorant dans la cellule afin que son anatomie puisse être visualisée puis aspire le contenu de la cellule pour l'analyse du transcriptome.
The team showed that cells with a common transcriptomic pattern also shared the same distinct shape and firing patterns6. “This indicates that transcriptomics can serve as a Rosetta stone for interpreting cell diversity and predicting cellular properties," says Lein.
Les scientifiques en dehors de la collaboration se sont déjà inspirés des résultats, en particulier la découverte que les neurones d'une seule classe peuvent être si différents les uns des autres.
Il y a deux ans, la neuroscientifique Anne Churchland à l'Université de Californie à Los Angeles, a commencé à concevoir un ensemble d'expériences chez la souris pour voir si cette diversité importait dans les neurones excitateurs. Her early results, which have not been peer reviewed7, suggest that it might: different excitatory neurons fire at different times as mice perform a listening task. “We are at a really exciting stage," she says.
Brains plus gros
Dans la prochaine phase du recensement cellulaire, les équipes se concentreront davantage sur les cerveaux plus importants.Une partie de ce travail a déjà commencé. RNA sequencing of post-mortem marmoset and human brains has revealed remarkable consistency in cell types across species6.Qu'est-ce qui explique donc le pouvoir cognitif nettement supérieur des humains?
“The major take-home message from these studies is that the general blueprint of cell types is conserved across species," says Lein.«Pourtant, vous pouvez trouver des preuves de spécialisations d'espèces qui sont assez importantes, même si ce ne sont que des variantes d'un thème." The BICCN transcriptomic studies show a greater diversity of cell types in the human brain than in the mouse brain, particularly in neurons that are most recently evolved. One of these corresponds to a type of neuron known to be selectively depleted in Alzheimer’s disease8.
De plus, le rapport des différents types de cellules varie entre les humains, les ouistits et les souris.Ces propriétés pourraient nous aider à mieux comprendre les maladies spécifiques à l'homme, dit Lein.
Lein effectue maintenant une analyse transcriptomique sur 100 cerveaux post mortem de personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer à leur mort.La comparaison de ces cartes spécifiques à la maladie avec les cartes de référence du BICCN révèlera plus systématiquement les plus vulnérables de nos cellules, dit-il.
Une autre différence mise en évidence par les études BICCN est le grand déplacement de l'équilibre des neurones excitateurs et inhibiteurs dans le cortex entre les souris, les ouistiches et les humains. The ratio is 2:1 in humans, compared with 3:1 in marmosets and 5:1 in mice6.C'est une découverte surprenante et plutôt mystérieuse, note Lein. “These cumulative differences could lead to profound changes in how the human cortex is organized and functions," he says.
Ce qui rend le cerveau humain spécial se résume à des différences dans la diversité cellulaire, les proportions des types de cellules, le câblage du cerveau et probablement beaucoup plus, explique le neuroscientifique John Ngai, qui dirige l'initiative du cerveau américain à Bethesda, Maryland."Il n'y a pas de réponse simple à cette question séculaire."
Des cartes à la médecine
L'une des prochaines étapes de l'initiative du cerveau, explique Ngai, sera de construire des outils qui ciblent sélectivement les types de cellules particuliers dans des circuits pertinents pour la maladie et de fournir des molécules thérapeutiques qui peuvent régler ces circuits vers le haut ou vers le bas.
The targeting method that researchers are particularly excited about relies on the BICCN’s discovery of short snippets of DNA that are unique to individual cell types9. These short sequences can serve as markers for those cell types, allowing researchers to create mouse strains in which they can target different cells and manipulate the cells’ activity10 — and therefore the activity of the associated circuits.La science fondamentale et la médecine sont à bénéficier. “The ability to target every cell in the brain will be a great support for fundamental research," says Edvard Moser at the Kavli Institute for Systems Neuroscience in Trondheim, Norway, who shared the 2014 Nobel Prize in Physiology or Medicine for his work on navigation in the brain.
These tools will also be “enormously important" for gene therapy, a treatment that replaces a gene that is missing or broken, says Botond Roska at the Institute for Molecular and Clinical Ophthalmology in Basel, Switzerland.Roska teste la première thérapie optogénétique au monde - dans laquelle les protéines sensibles à la lumière sont insérées dans les neurones de la rétine - chez les personnes ayant un certain type de cécité. He says it took him 19 years from deciding to identify the appropriate cells in the retina to publishing the successful treatment of the first individual11 in May.Les activités BICCN accéléreront la recherche pour les scientifiques travaillant sur d'autres zones cérébrales à l'avenir, dit-il.
Les développeurs de médicaments pour les conditions psychiatriques et neurologiques doivent considérer le type de cellule, mais jusqu'à présent, cela n'a pas été possible, dit Gordon.«En ce moment, nous jetons des médicaments sur toutes les cellules à la fois sans savoir quelles cellules elles affectent - c'est pourquoi tant de nos traitements en psychiatrie et en neurologie ont des effets secondaires importants."
Zoom out
Connaître les parties du cerveau est une chose.Savoir comment ils travaillent ensemble est un autre.Certains des grands projets du cerveau, ainsi que plusieurs groupes de recherche indépendants dans le monde, élaborent l'organisation spatiale des types de cellules et de leurs connexions - appelées connexions - pour de nombreuses espèces, y compris les souris et les humains.
Pour ce faire, les scientifiques colorent le cerveau puis le coupent en couches ultra-surrelles, dont des images sont capturées par un microscope électronique.Ensuite, ils empilent les images ensemble et utilisent l'intelligence artificielle pour tracer le chemin 3D de chaque cellule.La résolution est si bien qu'elle expose chaque synapse - de minuscules structures dans la membrane d'une cellule qui forgent des connexions chimiques avec d'autres cellules.
La recherche de secrets du cerveau humain
Les scientifiques du Janelia Research Campus à Ashburn, en Virginie, s'attendent à terminer le Connectome des fruits l'année prochaine.L'ampleur de l'effort requise pour les plus grandes espèces signifie que d'autres connexions complètes sont des années, voire des décennies, loin.Le BICCN prévoit de créer une carte anatomique 3D de l'ensemble du cerveau de souris en utilisant la microscopie électronique à haute résolution - fournissant le grossissement du milliard de fois nécessaire pour voir le fonctionnement interne des cellules.Les scientifiques travaillant sur le projet Japan Brain / Minds retracent le connexion de ouistice, et une poignée de groupes en dehors des projets de Big-Brain soutenus par le gouvernement, dont trois dans différents instituts de la Société Max Planck d'Allemagne, travaillent sur les connexions d'autres grands mammifères.
Les efforts actuels sont limités par la puissance de calcul nécessaire pour reconstruire même les plus petites taches de tissu cérébral. But these small volumes of connectome are still useful, says Moritz Helmstaedter, a director of the Max Planck Institute for Brain Research in Frankfurt, Germany, because “we can start to ask exciting questions about how our circuits are shaped by our individual experience or evolutionary predisposition".
Barrières cérébrales
La plupart des neuroscientifiques pensent que les grands projets de cartographie sont la clé de l'avenir du domaine, mais certains restent prudents.Le neurophysiologiste Tony Movshon à l'Université de New York est sceptique quant au fait que les connaissances détaillées des types de cellules et des connexions seront d'une aide immédiate. “We already knew some cell types from morphology and other classifications before anyone did a transcriptomic analysis, and we are still completely at sea," he says.«Savoir qu'il y a des types plus génétiquement distincts ne sera pas très utile à court terme pour comprendre comment fonctionne un circuit."
But tools that enable the tagging or manipulation of particular cell types will be “terrific", he says.«Nous aurions appris beaucoup plus si nous en savions plus sur les cellules que nous enregistrons."
Movshon avait également été sceptique du Human Genome Project (HGP) lors de son lancement en 1990, mais, encore une fois, dit, les spin-offs du projet - y compris les outils qui ont permis le travail du recensement cellulaire - étaient transformateurs.
Les scientifiques voient de nombreux autres parallèles entre le BICCN et les efforts HGP, en termes de perspectives scientifiques ainsi que d'outils de recherche.Une fois le projet du génome humain terminé en 2001, les chercheurs ont réalisé que les humains n'ont pas beaucoup plus de gènes que les souris.Ils ont découvert que, pour donner un sens au fonctionnement du système, ils avaient besoin de plus que le simple catalogue de pièces.Ils avaient besoin de couches supplémentaires d'informations sur la façon et le moment où les gènes sont exprimés, et comment les gènes s'influencent mutuellement et interagissent avec l'environnement.
Le défi est similaire pour le BICCN, mais sa portée éclipsera finalement celle du HGP, dit Huang.«Le génome n'est qu'un type d'informations, une chaîne de nucléotides;L'atlas de type cellulaire est de nombreux types d'informations différents."
Alors que le flux de données du recensement cellulaire se poursuit, les chercheurs travaillent sur des moyens de combiner les informations dans un «cadre de coordonnées commun» - une sorte de cerveau de référence pour une espèce particulière.De cette façon, plusieurs types d'informations peuvent être retirés d'un seul emplacement.
La plate-forme EBRAINS du HBP crée son propre cadre de coordonnées communes.C'est un défi de calcul énorme mais essentiel pour relier différents types d'informations biologiques dans le même espace, de sorte que les études - et finalement entre - les espèces peuvent être comparées, explique Wim Vanduffel, neurophysiologiste de l'Université catholique de Leuven en Belgique, quifait partie de l'effort HBP. “Common frameworks serve as anchoring points," he says.
Le HBP et le BICCN discutent de la façon de relier leurs données ensemble. “The BICCN is bottom-up and we are top-down," says Katrin Amunts, a neuroscientist at the Heinrich Heine University of Düsseldorf, Germany, and the HBP’s scientific research director.
L'objectif ultime est de construire un observatoire qui peut intégrer les données de tous ces projets dans une seule image unifiée.Il y a quatre ans, dans cet esprit, les chercheurs des projets Big-Brain se sont réunis pour créer l'initiative internationale du cerveau, une organisation lâche avec la tâche principale d'aider les neuroscientifiques à trouver des moyens de mettre en commun et d'analyser leurs données.
Sur l'horizon lointain se trouve la perspective de pirater les circuits du cerveau pour remédier aux troubles du cerveau, explique Koch.
“The brain is the most staggeringly complex piece of highly active matter in the Universe," he says.«Il n'y a pas de balle magique pour craquer son fonctionnement, mais avoir le matériel de base mènera à une compréhension mécaniste de ses circuits."
