Reconstructions numériques de neurones humains superposées sur une tranche de tissu cérébral donnée par un patient ayant subi une chirurgie cérébrale. Les chercheurs de l’Allen Institute sont capables de capturer des informations électriques à partir de ces neurones humains vivants, ainsi que leur forme 3D et l’expression de leurs gènes, grâce à une technique connue sous le nom de Patch-seq. Cette image montre plusieurs types différents de neurones humains dans le gyrus temporal médian du néocortex, l’enveloppe la plus externe du cerveau des mammifères. Crédit : Allen Institute
Des centaines de neuroscientifiques ont construit une « liste des pièces détachées » du cortex moteur, jetant les bases pour cartographier l’ensemble du cerveau et mieux comprendre les maladies du cerveau.
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Cela ne semblait probablement pas grand-chose, mais ce type de mouvement simple a nécessité l’effort concerté de millions de neurones différents dans plusieurs régions de votre cerveau, suivi de signaux envoyés à 200 mph de votre cerveau à votre moelle épinière, puis aux muscles. qui s’est contracté pour bouger votre bras.
Au niveau cellulaire, ce mouvement rapide est un processus très compliqué et, comme la plupart des choses qui impliquent le cerveau humain, les scientifiques ne comprennent pas pleinement comment tout cela se met en place.
Aujourd’hui, pour la première fois, les neurones et autres cellules impliquées dans une région du cerveau de l’homme, de la souris et du singe qui contrôle le mouvement ont été cartographiés avec des détails exquis. Ses créateurs, un grand consortium de neuroscientifiques réunis par l’initiative Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies® (BRAIN) des National Institutes of Health, affirment que cet atlas du cerveau ouvrira la voie à la cartographie de l’ensemble du cerveau des mammifères ainsi qu’à une meilleure compréhension des maladies cérébrales mystérieuses. — y compris ceux qui attaquent les neurones qui contrôlent le mouvement, comme la sclérose latérale amyotrophique, ou SLA.
L’atlas est décrit dans un ensemble spécial de 17 articles publiés aujourd’hui (6 octobre 2021) dans la revue La nature, y compris un article phare qui décrit l’ensemble de l’atlas.
Reconstructions complètes à l’échelle du cerveau de plusieurs types différents de neurones de souris en 3D. Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Institut Allen et de l’Université du Sud-Est de Nanjing, en Chine, a capturé les formes 3D détaillées de plus de 1 700 neurones individuels dans le cerveau de la souris, le plus grand ensemble de données de ce type à ce jour. Des études comme celle-ci aideront les neuroscientifiques à reconstituer des vues détaillées des circuits neuronaux. Chaque couleur représente un neurone individuel différent. Crédit : Allen Institute
« Dans un cerveau humain, il y a plus de 160 milliards de cellules. Notre cerveau a plus de 20 fois plus de cellules qu’il n’y a d’humains dans ce monde », a déclaré Hongkui Zeng, Ph.D., vice-président exécutif et directeur de l’Allen Institute for Brain Science, une division de l’Allen Institute, et chercheur principal. sur plusieurs études financées par l’Initiative BRAIN. « Pour comprendre le fonctionnement d’un système, vous devez d’abord créer une liste de pièces. Ensuite, vous devez comprendre ce que fait chaque partie et assembler les pièces pour comprendre comment fonctionne l’ensemble du système. C’est ce que nous faisons avec le cerveau.
La collaboration massive financée par l’Initiative BRAIN a impliqué des dizaines d’équipes de recherche à travers le pays qui ont travaillé ensemble pour réaliser un atlas cellule par cellule du cortex moteur primaire, une partie du cerveau des mammifères qui contrôle les mouvements. Combinant plus d’une douzaine de techniques différentes pour définir les « types de cellules » du cerveau chez trois espèces différentes de mammifères, la collecte de données en libre accès qui en résulte est de loin la carte la plus complète et la plus détaillée de n’importe quelle partie du cerveau des mammifères jamais publiée. Les chercheurs ont classé les millions de neurones et d’autres types de cellules cérébrales présentes dans le cortex moteur en de nombreuses catégories de types cellulaires différents – le nombre réel de types de cellules cérébrales différents dans cette région dépend de la façon dont ils sont mesurés, mais varie de plusieurs dizaines à plus de 100.
Les scientifiques de l’Institut Allen étudient les neurones humains qui semblent être hautement spécialisés par rapport à leurs homologues des rongeurs. L’un de ces types de neurones nouvellement décrits, le neurone CARM1P1, envoie des connexions à longue portée dans le cerveau et peut être sélectivement vulnérable dans la maladie d’Alzheimer. Crédit : Allen Institute
Les chercheurs ont choisi le cortex moteur primaire en partie parce qu’il est similaire chez toutes les espèces de mammifères – alors que les humains, les singes et les souris ont de nombreuses différences entre nos cerveaux, la façon dont nous contrôlons les mouvements est très similaire – et parce qu’il est représentatif du néocortex, la coquille la plus externe du cerveau des mammifères qui non seulement intègre des informations sensorielles et motrices, mais donne également naissance à nos fonctions cognitives complexes. Cet atlas terminé est une étape importante dans l’effort visant à créer un catalogue ou un recensement de tous les types de cellules cérébrales par le biais du BRAIN Initiative Cell Census Network, ou BICCN. Le NIH a lancé le BICCN en 2017, octroyant neuf subventions de réseau collaboratif, dont trois sont dirigées par des chercheurs de l’Allen Institute for Brain Science.
Comme un recensement de population, le recensement cellulaire vise à cataloguer tous les différents types de cellules cérébrales, leurs propriétés, leurs proportions relatives et leurs adresses physiques pour obtenir une image des populations cellulaires qui forment ensemble notre cerveau. Connaître la constitution cellulaire du cerveau « normal » est une étape clé pour comprendre ce qui ne va pas dans la maladie.
« Si nous voulons vraiment comprendre comment fonctionne le cerveau, nous devons descendre à son unité fondamentale. Et c’est la cellule », a déclaré Ed Lein, Ph.D., chercheur principal à l’Allen Institute for Brain Science et chercheur principal de plusieurs études de l’Initiative BRAIN axées sur le cerveau humain. «Ceci est également important sur le plan clinique, car les cellules sont le siège de la maladie. En comprenant quelles cellules sont vulnérables dans différentes maladies du cerveau, nous pouvons mieux comprendre et finalement traiter les maladies elles-mêmes. L’espoir avec ces études est qu’en faisant cette classification fondamentale des types de cellules, nous pouvons jeter les bases d’une compréhension de la base cellulaire de la maladie. »
Les créateurs de l’atlas ont utilisé plusieurs méthodes différentes pour mesurer une variété de propriétés cellulaires afin de définir un type de cellule en corrélant et en intégrant ces propriétés, qui incluent l’ensemble complet de gènes activés par une cellule ; le paysage « épigénétique » d’une cellule, qui définit comment les gènes sont régulés ; les formes 3D des cellules ; leurs propriétés électriques ; et comment ils se connectent aux autres cellules. L’expression génique unicellulaire et les données épigénétiques étaient particulièrement importantes car les chercheurs ont pu utiliser ces données pour intégrer tous les autres types de données de type cellulaire, créant ainsi un cadre commun pour classer les types cellulaires et les comparer au sein et entre les espèces.
Les études ont nécessité non seulement une collaboration entre les chercheurs pour concevoir et exécuter les expériences, mais également une coordination et un partage public des données résultant du projet d’atlas et d’autres projets du BICCN. Le Brain Cell Data Center, ou BCDC, a son siège à l’Institut Allen. Le centre de données, dirigé par le chercheur Michael Hawrylycz, Ph.D., de l’Allen Institute for Brain Science, aide à organiser le consortium BICCN et fournit un point d’accès unique aux centres d’archivage de données de l’étude à travers le pays.
« L’une de nos nombreuses limites dans le développement de thérapies efficaces pour les troubles du cerveau humain est que nous ne savons tout simplement pas assez quelles cellules et quelles connexions sont affectées par une maladie particulière, et ne pouvons donc pas identifier avec précision quoi et où nous devons cible », a déclaré John Ngai, Ph.D., directeur de l’initiative NIH BRAIN. « L’Institut Allen a joué un rôle important dans la coordination des grandes quantités de données produites par le projet de recensement cellulaire BRAIN qui fournissent des informations détaillées sur les types de cellules qui composent le cerveau et leurs propriétés. Ces informations permettront à terme le développement de nouvelles thérapies pour les maladies neurologiques et neuropsychiatriques. »
Les scientifiques de l’Allen Institute for Brain Science ont joué un rôle dans neuf des 17 études publiées et ont dirigé ou codirigé six d’entre elles. Les quatre principales études dirigées par l’Institut Allen ont exploré :
- Comment les types de cellules dans le cortex moteur primaire se comparent entre les souris, les humains et les singes ouistitis. L’équipe de recherche a découvert que la plupart des types de cellules cérébrales du cortex moteur ont des homologues similaires dans les trois espèces, avec des différences spécifiques aux espèces au niveau des proportions des cellules, de leurs formes et propriétés électriques, et des gènes individuels qui sont activés et désactivés. Par exemple, les humains ont environ deux fois plus de neurones excitateurs que les neurones inhibiteurs dans cette région du cerveau, tandis que les souris en ont cinq fois plus. Les chercheurs se sont également penchés sur les fameuses cellules de Betz, d’énormes neurones qui se projettent sur la moelle épinière qui existent en nous, les singes et de nombreux autres grands mammifères, et ont capturé les premiers enregistrements électriques connus de cellules de Betz humaines, qui dégénèrent dans la SLA. Les souris ont des neurones liés à l’évolution basés sur des programmes génétiques partagés, mais leurs formes et leurs propriétés électriques sont très différentes de celles des humains.
- Une analyse plus large des types de cellules cérébrales dans le cerveau humain, en examinant les deuxième et troisième couches du néocortex à 6 couches. Ces couches, et le néocortex dans son ensemble, sont beaucoup plus grandes et contiennent une plus grande diversité de cellules chez les humains et les autres primates que chez les rongeurs. Les chercheurs de l’Allen Institute ont utilisé une technique à trois volets connue sous le nom de Patch-seq pour mesurer les propriétés électriques, les gènes et les formes 3D de plusieurs types de neurones dans ces couches dans des échantillons de tissus donnés par des patients opérés du cerveau. L’étude caractérise ces neurones dans les tissus humains vivants et démontre une diversité accrue des types de neurones spécialisés pour communiquer entre différentes régions du cortex humain, notamment en explorant un type spécialisé de neurone humain qui est particulièrement vulnérable dans Alzheimer maladie.
- La plus grande collection à ce jour de reconstructions complètes à l’échelle du cerveau de plus de 1 700 neurones différents dans le cerveau de souris. Cette forme de traçage des neurones en 3D est vaste et compliquée en raison des axones et des dendrites longs et délicats des cellules, mais elle fournit des informations importantes sur les connexions à longue distance que différents types de neurones établissent à travers leurs axes axonaux atteignant des régions cérébrales lointaines. Les chercheurs de l’Allen Institute constatent que les arbres axoniques de ces neurones présentent des schémas extrêmement divers, certains avec seulement quelques branches ciblées tandis que d’autres s’étendent sur de vastes zones. Par exemple, certains neurones de la structure connue sous le nom de claustrum envoient des axones en forme de couronne sur toute la circonférence du néocortex. Des modèles de connexion caractéristiques comme ceux-ci sont un attribut essentiel utilisé pour aider à classer un type de cellule cérébrale.
- La composition cellulaire du cortex moteur primaire de la souris, triant environ 500 000 neurones et autres cellules cérébrales en catégories de types cellulaires en fonction de la suite de gènes activés par chaque cellule (le « transcriptome ») ainsi que les modifications de régulation des gènes sur les cellules chromosomes (l’« épigénome »). À l’aide d’une gamme de techniques, les chercheurs de l’Allen Institute et leurs collaborateurs ont généré sept types d’ensembles de données transcriptomiques et deux types d’ensembles de données épigénomiques, puis ont développé des méthodes informatiques et statistiques pour intégrer ces ensembles de données dans un « arbre évolutif » partagé de types cellulaires. L’étude a conduit à la découverte de milliers de gènes marqueurs et d’autres ADN des séquences spécifiques à chacun de ces types cellulaires.
Référence : « A multimodal cell recensement and atlas of the mammalian primary motor cortex BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) » 6 octobre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03950-0
Cette recherche a été soutenue par plusieurs récompenses des National Institutes of Health, y compris les numéros de récompense U19MH114830, U01MH114812, U01MH105982, R01EY023173 et U24MH114827 aux chercheurs de l’Allen Institute for Brain Science. Le contenu relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles du NIH et de ses instituts subsidiaires.
