Une nouvelle technologie d'imagerie cérébrale d'une granularité sans précédent pourrait changer la neurobiologie

Une technologie basée sur le codage à barres de l'ADN peut facilement identifier un nombre sans précédent de connexions entre les cellules cérébrales individuelles. La complexité inattendue du système visuel n'est que le premier des secrets qu'elle a découverts.

Assis à un bureau de son bureau sur le campus de Cold Spring Harbor Lab , le neuroscientifique Tony Zador a tourné son écran d'ordinateur vers moi pour montrer un graphique complexe sous la forme d'une matrice. Imaginez une feuille de calcul qui, au lieu de chiffres, est remplie de couleurs de différentes nuances et dégradés. En passant, il a dit: "Quand je dis aux gens que j'ai compris les connexions de dizaines de milliers de neurones et que je leur montre ceci, en réponse ils disent juste" Ah? "Mais quand je montre ça aux gens ..." Il appuya sur le bouton et un écran transparent apparut un modèle tridimensionnel du cerveau, tournant autour d'un des axes, rempli de nœuds et de lignes, en quantité trop grande pour être comptée. "Ils disent:" Quoi ...! "

Zador m'a montré une carte de 50 000 neurones dans le cortex cérébral de la souris. Il y était marqué où se trouvent les corps de tous les neurones et où ils dirigent leurs longues branches axonales. Les cartes neuronales de cette taille et de ces détails n'ont jamais été auparavant. Zador a abandonné l'approche traditionnelle de construction d'une carte cérébrale par étiquetage par fluorescence des neurones et a opté pour une technologie inhabituelle basée sur une longue tradition de recherche en biologie moléculaire à Cold Spring Harbor sur Long Island. Il a utilisé des particules d'informations sur le génome pour introduire une séquence unique d'ARN, ou code-barres, dans chaque neurone individuel. Puis il a coupé le cerveau en cubes et les a alimentés au séquenceur d'ADN. Le résultat a été une image en trois dimensions de 50 000 neurones du cortex cérébral de la souris (et bientôt d'autres y seront ajoutés), avec une résolution jusqu'à des cellules individuelles.

Cet ouvrage, magnum opus Zador, fait encore l'objet d'une série d'affinements et de corrections avant publication. Mais dans un article récent publié dans la revue Nature , eux et leurs collègues ont démontré que cette technique, connue sous le nom de MAPseq (analyse multiplexée des projections par séquençage), peut être utilisée pour rechercher de nouveaux types et modèles de cellules qui étaient auparavant inconnus. . Il a également été montré dans les travaux que cette méthode de marquage hautement productive est en concurrence sérieuse pour la précision de la technique fluorescente, qui est la norme actuelle, mais qui fonctionne mieux avec seulement un petit nombre de neurones.


Tony Zador

Ce projet est né du mécontentement de Zador à l’égard de son travail «principal» de routine en tant que neurophysiologiste, de la façon dont il en parle sèchement. Il étudie l'influence de l'audition sur la prise de décision chez les rongeurs: comment leur cerveau entend les sons, traite les informations audio et détermine une réponse ou une action comportementale. Les enregistrements électrophysiologiques et les autres outils traditionnels utilisés pour résoudre de tels problèmes ne satisfaisaient pas le scientifique incliné en mathématiques. Le problème, dit Zador, est que nous ne sommes pas bien conscients des connexions neuronales, donc en tant qu'emploi à temps partiel, il essaie de créer de nouveaux outils pour acquérir des images cérébrales.

L'état actuel des technologies avancées de cartographie du cerveau est le projet Allen Brain Atlas de l'atlas du cerveau, qui a été assemblé à la suite de plusieurs années de travail dans de nombreux laboratoires, et a coûté environ 25 millions de dollars. L'atlas Allen est connu comme un atlas de connexions de masse car il suit les sous-populations de neurones et leurs composés du groupe. Il a été très utile aux chercheurs, mais il n'est pas en mesure de faire de subtiles différences qui existent au sein de groupes ou de sous-populations de neurones.

Si jamais nous voulons savoir comment la souris entend un trille aigu, le traite et comprend que le son signifie l'apparition d'une récompense sous la forme d'une boisson rafraîchissante, ou forme une nouvelle mémoire, afin de rappeler plus tard la menace, nous devons commencer par une carte ou un diagramme des connexions du cerveau . Du point de vue de Zador, le manque de connaissances sur ces composés explique pourquoi les progrès dans le traitement des maladies psychiatriques sont si lents et pourquoi l'intelligence artificielle n'est pas encore assez intelligente.

Justus Kebskul , neuroscientifique à l'Université de Stanford, auteur d'un nouveau travail pour Nature et ancien étudiant diplômé du laboratoire de Zadora, a noté que faire des neurosciences sans connaître les connexions, c'est comme «essayer de comprendre comment fonctionne un ordinateur en le regardant de l'extérieur, en le fourrant dans une électrode et essayer de comprendre ce que l'on peut y trouver. Ne sachant pas que le disque dur est connecté au processeur et que l'USB transfère les données d'entrée au système, il est très difficile de comprendre ce qui se passe. "

L'inspiration pour le développement de SAPsec est venue à Zador quand il a découvert une autre technologie de cartographie cérébrale appelée Brainbow [coloration des cellules nerveuses avec des protéines fluorescentes de différentes couleurs; cerveau - cerveau, arc-en-ciel - arc-en-ciel / env. trad.]. Cette méthode, qui est apparue dans le laboratoire de Jeff Lichtman de l'Université de Harvard, est remarquable pour le fait qu'elle est capable de marquer génétiquement jusqu'à 200 neurones individuels en même temps en utilisant différentes combinaisons de couleurs fluorescentes. Le résultat a été une image multicolore pittoresque de neurones de couleurs néon, montrant en détail un mélange complexe d'axones et de corps de neurones. Ce travail révolutionnaire a donné l'espoir que la disposition de la connexion , une description complète de toutes les connexions nerveuses du cerveau, approche de la réalité. Malheureusement, la limitation de cette technologie dans la pratique était que, lorsqu'ils étaient vus au microscope, les expérimentateurs pouvaient reconnaître de cinq à dix couleurs différentes, ce qui n'était pas suffisant pour pénétrer dans les subtilités des neurones du cortex cérébral et pour marquer de nombreux neurones en même temps.

C’est alors qu’une idée a surgi dans la tête de Zador. Il s'est rendu compte que le problème de l'extrême complexité d'un connectome pourrait être apprivoisé si les chercheurs étaient en mesure d'adapter à leurs besoins les vitesses croissantes et le coût décroissant des technologies de séquençage du génome hautement productives. "En mathématiques, cela s'appelle réduire le problème au précédent déjà résolu", a-t-il expliqué.



Dans SAPsec, les chercheurs introduisent des virus génétiquement modifiés chez un animal qui portent de nombreuses séquences d'ARN connues, ou «codes-barres». Pendant environ une semaine, les virus se multiplient dans le corps de l'animal et remplissent chaque neurone d'une combinaison unique de ces codes-barres. Lorsque les chercheurs coupent ensuite le cerveau en morceaux, les codes à barres d'ARN peuvent les aider à suivre les neurones individuels de morceau en morceau.

L'idée de Zador a conduit à un nouveau travail chez Nature, dans lequel son laboratoire et son équipe de l'University College London, sous la direction du neuroscientifique Thomas Marsik-Flögel, ont utilisé SAPsec pour suivre les connexions de près de 600 neurones dans le système visuel de la souris.

600 neurones est un début modeste par rapport aux dizaines de millions de neurones contenus dans le cerveau de la souris. Mais cela suffisait pour un certain objectif que les chercheurs s'étaient fixé. Ils voulaient comprendre s'il y avait une structure dans les circuits du cerveau qui pourrait éclairer son travail. La théorie populaire est que dans le cortex visuel, les neurones individuels collectent des informations distinctes des yeux - sur les bords des objets en vue, ou le type de mouvement, ou l'orientation spatiale, par exemple. Le neurone envoie ensuite un signal à une zone correspondante du cerveau spécialisée dans le traitement de ce type d'informations.

Un exemple de la façon dont SAPsec peut déterminer les connexions de nombreux neurones:


Des points colorés indiquent l'emplacement des corps de 50 000 neurones dans le cortex de la souris


Connexions axonales de seulement deux neurones se terminant ailleurs dans le cerveau


Voies nerveuses de nombreux neurones

Pour tester sa théorie, l'équipe a d'abord marqué plusieurs neurones de souris de manière traditionnelle, en introduisant un colorant fluorescent génétiquement codé dans des cellules individuelles. Ensuite, avec un microscope, ils ont suivi la façon dont les cellules s'étiraient du cortex visuel principal vers d'autres parties du cerveau. Ils ont découvert que les axones des neurones se ramifiaient et envoyaient des informations à plusieurs parties du cerveau à la fois, ce qui réfutait la théorie des connexions un à un.

Puis ils ont commencé à chercher des modèles dans ces relations. Ils ont utilisé SAPsec pour suivre les connexions de 591 neurones qui ont ramifié et innervé différentes cibles. L'équipe a constaté que la distribution des axones obéit à des régularités: certains neurones étendent toujours les axones aux sections, disons A, B et C, et jamais aux sections D ou E.

Les résultats suggèrent que le système visuel a des relations extrêmement complexes et que les modèles de ces connexions sont beaucoup plus complexes qu'une simple relation biunivoque. «Les zones visuelles de haut niveau ne reçoivent pas seulement des informations spécialement traitées pour elles», a déclaré Kebskul. Au lieu de cela, de nombreux sites reçoivent les mêmes informations «afin que leurs calculs puissent être liés les uns aux autres».

Cependant, le fait que certaines cellules ont des connexions avec certaines zones signifie également que des cellules spécialisées, pas encore ouvertes, sont situées dans le cortex visuel. Kebskul a déclaré que cette carte est similaire aux plans qui permettront aux futurs chercheurs de comprendre ce que font ces cellules. «SAPsec vous permet de créer une carte matérielle. Dès que nous nous occupons de l'équipement, nous pouvons commencer à travailler avec le logiciel et le processus de calcul », a-t-il déclaré.

L'avantage concurrentiel de SAPsec en termes de vitesse et de coût est très important. Selon Zador, cette technologie devrait être en mesure d'augmenter son échelle à 100000 neurones, traitant un tel volume en quelques semaines et pour seulement 10000 $ - c'est beaucoup plus rapide que les méthodes de balisage traditionnelles et beaucoup moins cher qu'eux.

Ces avantages feront de la tâche de marquage et de comparaison des voies neuronales de nombreux cerveaux une tâche plus réaliste. L'étude de conditions telles que la schizophrénie et l' autisme , qui résulteraient de différences dans les connexions cérébrales, a souvent frustré les scientifiques parce que les outils à leur disposition ne sont pas en mesure de reconnaître de nombreux petits détails concernant les connexions neuronales. On peut imaginer que les chercheurs seront en mesure de construire une carte de ces conditions pour les souris et de les comparer avec des exemples plus typiques de cartes cérébrales, ce qui stimulera une nouvelle vague de recherche. «De nombreuses maladies mentales sont dues à des problèmes de connectivité», a déclaré Hon Kui Zen , directeur exécutif du département des sciences structurées de l'Institut Allen pour la recherche sur le cerveau. "Les informations sur la relation vous diront où chercher des réponses."

Un balisage détaillé permettra également aux scientifiques de collecter une grande quantité de données neurobiologiques et de rechercher parmi eux des modèles qui reflètent les principes généraux de la fonction cérébrale. "Tony regarde le cerveau avec un regard non déformé", a déclaré Shrikant Chalasani , neuroscientifique moléculaire au Salk Institute. "Tout comme la carte du génome humain a fourni un support pour tester des hypothèses et rechercher des modèles dans les séquences et le travail des gènes, la méthode Tony peut faire de même pour les problèmes d'architecture cérébrale."

Une carte détaillée du génome humain n'expliquait pas instantanément tous les mystères du travail de la biologie, mais elle donnait une liste de «pièces détachées» biomoléculaires et ouvrait la voie à une galaxie de recherches révolutionnaires . De même, au stade actuel de développement, SAPsec ne peut pas fournir d'informations sur le fonctionnement ou l'emplacement des cellules qu'il étiquette, ni montrer quelles cellules communiquent entre elles. Mais Zador prévoit d'ajouter bientôt une telle fonctionnalité. Il travaille également en collaboration avec des scientifiques qui étudient diverses parties du cerveau, par exemple les connexions neuronales qui traitent la peur.

«Je pense que de tous ces liens, il sera possible d'extraire de nombreuses idées. Mais cela, comme pour le génome - en soi ce n'est pas quelque chose d'intéressant, les choses qu'il vous permet de faire sont révolutionnaires. Par conséquent, je suis dans une telle excitation joyeuse », a déclaré Zador. «J'espère que cette technologie apportera un soutien à la prochaine génération de travaux dans ce domaine.»