Les scientifiques ont retracé toutes les 54,5 millions de connexions dans le cerveau d'une mouche des fruits

Dans le cerveau d'une mouche des fruits, les cellules nerveuses s'entrelacent, permettant le vol, l'accouplement, l'alimentation, le sommeil et toutes les autres activités de sa vie de mouche. Aujourd'hui, dans neuf articles publiés le 2 octobre dans Nature, les scientifiques présentent la première carte complète de ses cellules nerveuses - au nombre de 139 255, pour être exact - et de leurs 54,5 millions de connexions.

Cette carte du cerveau entier, tracée au fil des années avec une précision minutieuse, est minuscule mais exquise : elle contient 149,2 mètres de câblage neuronal, le tout soigneusement emballé dans un cerveau de la taille d'une graine de pavot. En tant que telle, cette carte montre comment les informations neuronales pourraient circuler entre les cellules de Drosophila melanogaster, un animal plus simple qu’un humain mais suffisamment complexe pour rester mystérieux pour les personnes essayant de comprendre son cerveau.

"Ce travail est absolument fascinant", déclare le neuroscientifique Olaf Sporns de l'Université d'Indiana à Bloomington. En 2005, lui et ses collègues ont inventé le terme « connectome », une description des connexions entre les cellules nerveuses, ou neurones (SN : 2/7/14). Au cours des près de 20 années qui ont suivi, les scientifiques ont cartographié davantage de connectomes, notamment ceux de vers mâles et hermaphrodites de C. elegans, d'une larve de mouche des fruits, de petits morceaux de cerveaux de souris et d'humains, ainsi qu'une partie du cerveau d'une mouche des fruits adulte (SN : 3/9/23 ; SN : 8/7/19 ; SN : 5/23/24). Ce dernier connectome de mouche des fruits est le plus grand du genre.

"Lorsque la connectomique a débuté, la création d'une carte comme celle présentée dans cet ouvrage ressemblait presque à de la science-fiction", explique Sporns. "Et maintenant, étonnamment, le voici."

Le projet impliquait des images au microscope électronique de plus de 7 000 fines tranches du cerveau d’une mouche femelle et un apprentissage automatique qui alignait les vrilles complexes des neurones, traçant les cellules à travers différentes tranches. L’apprentissage automatique a permis aux chercheurs de se rapprocher de l’ensemble du connectome. "Mais les humains doivent encore corriger les erreurs", explique Sven Dorkenwald, un neuroscientifique informatique qui a travaillé sur le projet à l'Université de Princeton et qui travaille maintenant à l'Allen Institute for Brain Science et à l'Université de Washington à Seattle. Des centaines de personnes provenant de plus de 50 laboratoires ont relu la carte avec des yeux humains, s’assurant que la forme des cellules était telle qu’elle semblait être. Ce fut un gros travail, du début à la fin.

« Pensions-nous que cela prendrait autant de temps, comme si, près de 20 ans plus tard, nous aurions le connectome volant ? Probablement pas », déclare Sebastian Seung, neuroscientifique informatique à l'Université de Princeton. "Mais les gens trop optimistes sont le moteur du progrès."

Au début, travailler sur une carte du connectome « ​​était une chose à contre-courant », explique Seung. « La plupart des gens pensaient que c’était fou. Il y a eu deux objections. La première est que ce n’est pas possible, et la seconde est que même si vous réussissiez, les données seraient inutiles.

Mais déjà, les données ont prouvé leur utilité, révélant des détails cellulaires et des indices juteux sur le fonctionnement du cerveau. Par exemple, il n’y a que deux neurones CT1 dans l’ensemble du cerveau de la mouche, chacun étant impliqué dans la détection des changements de lumière et de mouvement. Chaque neurone s'étend sur un œil entier et crée un nombre massif de synapses – plus de 148 000, selon la carte.

Une autre analyse a classé certains neurones en classes appelées « intégrateurs », qui reçoivent un grand nombre de messages d'autres cellules, ou « diffuseurs », qui envoient des signaux à un large public. Ces cellules mégaphones pourraient aider les signaux à se propager, mais de manière sélective.

Et maintenant que le connectome est cartographié, les scientifiques ont commencé à construire des modèles informatiques de la manière dont les informations circulent dans le cerveau. "Vous commencez par les connexions entre les neurones et vous les utilisez pour vous aider à construire une simulation d'un réseau", explique Seung. "C'est une approche tout à fait évidente, mais vous ne pourriez pas la faire si vous n'aviez pas le connectome."

Une nouvelle étude, par exemple, montre comment les neurones gustatifs peuvent activer d’autres cellules en aval. Et ce n'est que le début, dit Seung. "Ma blague pour les passionnés de science-fiction est qu'une mouche a dû être sacrifiée pour cette expérience, mais cette mouche pourrait vivre éternellement dans la simulation."

Sporns se tourne également vers l'avenir : « Je prévois un avenir dans lequel les cartes des connectomes deviendront encore plus complètes et détaillées, pour inclure bientôt les cerveaux de vertébrés comme la souris et l'humain », dit-il. Ces cartes aideront à répondre à de grandes questions sur les connectomes cérébraux : s’ils varient selon les individus, s’ils changent au fil du temps et s’ils peuvent aider à prédire les comportements.