Google AI et Harvard cartographient le cortex frontal humain !

Temps de lecture : 5 min

Saviez-vous que le corps humain est sûrement la machine la plus complexe qui existe ?

Aux commandes de celui-ci : le cerveau humain. Probablement le sujet d’étude le plus compliqué et le plus passionnant, dont nous ignorons pourtant encore beaucoup de chose, par manque de données et d’analyses.

Mais les neurosciences pourraient bien franchir un grand pas dans les années à venir, notamment au vu des avancées de certains projets de recherche comme celui mené par Google AI et le Lichtman Lab, spécialisé dans la cartographie des connexions neuronales.
Objectif de ces recherches : cartographier le cortex cérébral humain en 3D pour pouvoir étudier le cerveau en profondeur.

Début juin, les chercheurs du projet ont publié un premier ensemble de données d’1,4 pétaoctets, comprenant des données d’imagerie qui couvrent environ 1 mm³ de tissu cérébral.

On fait le point dans notre article de la semaine.

La complexité du cerveau humain

Pour comprendre l’enjeu de ces recherches, comprenez que le cerveau humain est véritablement le Saint-Graal des neurosciences !
Car si la plupart d’entre nous peuvent passer toute leur vie sans vraiment s’interroger sur le fonctionnement de notre corps et de notre cerveau, percer les secrets de ce dernier pourrait déboucher à de formidables avancées.

Que ce soit pour la compréhension globale de l’espèce humaine, mais surtout pour apporter des réponses et des solutions à certaines pathologies neurodégénératives ou encore à l’addiction.

Pour faire simple et pour vulgariser un peu les choses, notre cerveau est comme un immense et complexe réseau d’autoroute de signaux électriques (le réseau neuronal), qui permet de transmettre en permanence des informations à l’ensemble du corps, que ce soit pour effectuer une action mécanique (bouger) ou pour créer une réaction chimique (les émotions).
Au milieu de ce réseau complexe, un échangeur encore plus complexe et difficile à comprendre : le cortex cérébral, qui contrôle tout et qui fait de nous ce que nous sommes.

Or, l’étude des réseaux de neurones du cerveau est extrêmement difficile, car il n’existe pour le moment aucune cartographie du cerveau humain.
C’est justement l’objectif des recherches menées par Google AI (la division dédiée à l’Intelligence Artificielle de Google), rejoint par le Lichtman Lab, un laboratoire de l’Université de Harvard spécialisé dans la cartographie des connexions neuronales.

Cartographier le cortex cérébral en 3D ! 

Ensemble, les chercheurs des deux entités ont d’abord décidé de s’attaquer à l’une des parties les plus complexes : le cortex frontal.
C’est ce dernier qui commande la plupart des fonctions cognitives avancées de notre espèce comme la pensée, la perception des choses, la mémoire, le langage, etc.
Il est composé d’une centaine de types de neurones ; il y aurait environ 86 milliards de neurones dans notre cerveau ; organisés en six couches distinctes.

Pour leur étude, les chercheurs ont récupéré un échantillon chirurgical de tissu humain du lobe temporal du cortex cérébral et ont coloré un volume de 1 mm³ avec des métaux lourds. Ils l’ont ensuite noyé dans de la résine, découpé en plus de 5000 tranches d’environ 30 nanomètres et ont imagé ces sections à l’aide d’un microscope électronique à balayage multifaisceaux à haute vitesse.

Ils ont ensuite utilisé des méthodes informatiques de pointe pour restituer la structure tridimensionnelle de 50 000 cellules, de centaines de millions de neurites (les deux excroissances partant du corps cellulaire des jeunes neurones) et de pas moins de 130 millions de connexions synaptiques.

Cette cartographie 3D de 1 mm³ du cortex frontal est compilée dans un data set (un ensemble de données) baptisé “H01”, qui fait pas moins de 1,4 pétaoctets (Po), soit 1433,6 teraoctets (To) ou encore, un peu plus parlant, un peu moins de 1,5 millions de gigaoctets (Go).
“H01” est disponible et consultable gratuitement sur bioRxiv, un site de prépublication de recherches scientifiques et est pour le moment en attente d’une relecture et d’une approbation d’un comité de lecture d’une revue scientifique.
Cette relecture permettra de valider la méthodologie ainsi que les observations et conclusions de l’équipe de chercheurs. Cette dernière indique par exemple avoir découvert, au cours de la reconstitution, de nouveaux types de cellules cérébrales.

Capacités de stockage et supercalculateurs : enjeux cruciaux pour aller plus loin

S’il s’agit du « plus grand échantillon de tissu cérébral imagé et reconstruit à ce niveau de détail toute espèce confondue », comme l’indiquent les chercheurs de Google AI dans un article de blog, cela ne représente qu’une infime partie du cortex cérébral.

Mais comme évoqué plus haut, ce petit échantillon représente déjà à lui seul un volume stratosphérique de données. Pour cartographier l’intégralité du cortex cérébral, ce type d’étude dépendra donc forcément des avancées en matière de stockage de données.

Heureusement, dans ce domaine aussi de nombreux projets sont en cours de développement, comme les recherches sur le stockage ADN ou le stockage moléculaire ou encore le projet Silica de Microsoft consistant à stocker de grandes quantités de données sur du verre (quartz).

Autres avancées nécessaires pour mener à bien la cartographie du cerveau humain, la performance des ordinateurs pour traiter ces données. Là encore, les travaux sur l’informatique quantique se multiplient, avec des premières versions de supercalculateurs qui commencent à être mis à disposition, dont l’un d’eux justement porté par Google.

La firme de Mountain View espère d’ailleurs arriver à une version plus aboutie de son ordinateur quantique à l’horizon 2029.

Saint-Graal des neurosciences, le cerveau humain est loin d’avoir livré tous ses secrets !
Avec cette avancée supplémentaire dans le domaine, les chercheurs espèrent arriver à cartographier l’intégralité du cortex cérébral.

Un objectif qui, s’il est atteint, permettrait d’enfin comprendre totalement comment notre cerveau fonctionne et apporter des solutions concrètes dans le traitement de certaines maladies, comme les maladies neurodégénératives ou encore trouver une explication et des solutions pour lutter contre l’addiction.

Pour aller plus loin.

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Photo de couverture : image d’illustration.