Imaginez une carte avec chaque étoile de la galaxie. La carte est si détaillée qu'elle montre à quoi ressemble chaque étoile, en quoi elle consiste, avec quelle autre étoile est liée par les grandes lois de la physique de l'espace. Bien que nous ne disposions pas encore d'une telle carte astronomique du ciel, grâce à une étude monumentale publiée la semaine dernière dans Neuron, nous avons une carte cérébrale similaire.
Si chaque neurone était une galaxie, les synapses sont de petites structures dispersées en points le long des neurones serpentins - ce sont des étoiles. Une équipe de scientifiques de l'Université d'Édimbourg au Royaume-Uni a construit la première carte détaillée de chaque synapse dans le cerveau de la souris.
Carte du cerveau: la clé du puzzle de la pensée
À l'aide de souris génétiquement modifiées, les scientifiques ont littéralement fait allumer chaque synapse sous une lumière fluorescente dans tout le cerveau, comme des étoiles dans le ciel. Et, tout comme les étoiles diffèrent les unes des autres, les scientifiques ont constaté que les synapses sont très diverses, mais il existe des modèles qui peuvent soutenir la mémoire et la pensée.
Des cartes détaillées ont montré la loi fondamentale de l'activité cérébrale. À l'aide de l'apprentissage automatique, l'équipe a classé environ un milliard de synapses dans le cerveau en 37 types de synapses. Voici le point: lorsque des ensembles de neurones reçoivent des informations électriques, par exemple, en choisissant entre différentes solutions à un problème, les sous-types uniques de synapses dispersés parmi différents neurones brillent à l'unanimité d'activité.
En d'autres termes, les synapses sont de types différents. Et chaque type peut contrôler une pensée, une décision ou un souvenir.
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Sans surprise, les neuroscientifiques ont réagi très positivement au travail.
"Wow", a commenté Ben Sanders de l'Université du Minnesota.
C'est "un article étonnant cataloguant la diversité et la distribution des sous-types de synapse dans le cerveau de la souris", écrit le neurogénéticien Kevin Mitchell. Cela «souligne le fait que les synapses sont des éléments informatiques clés du système nerveux».
Connectez le connectome
L'intérêt des scientifiques pour la création d'un «synaptome» - le premier catalogue complet de synapses dans le cerveau de souris - découle d'un projet beaucoup plus vaste: le connectome.
En bref, un connectome est l'ensemble des connexions neuronales en vous. Comme le dit le Dr Sebastian Sjung, le connectome est la base biologique de qui vous êtes - vos souvenirs, votre personnalité, vos pensées et votre raisonnement. Attrapez un connectome et un jour, les scientifiques pourront vous reconstruire en imitant un cerveau entier.
Et pourtant, le connectome ne décrit que la manière dont les neurones se parlent fonctionnellement. Où dans le cerveau est-il physiquement codé.
C'est là que les synapses entrent en jeu. Les neuroscientifiques savent depuis longtemps que les synapses transmettent des informations entre les neurones à l'aide de produits chimiques et d'électricité. Il y a également eu des indices selon lesquels les synapses diffèrent considérablement selon les protéines qu'elles contiennent, mais cette distinction a généralement été ignorée. Jusqu'à récemment, la plupart des scientifiques croyaient que de vrais calculs avaient lieu dans le corps neuronal - la partie bulbeuse du neurone d'où émergent les branches.
Jusqu'à présent, il n'existait aucun moyen d'examiner la morphologie et la fonction des synapses dans tout le cerveau, expliquent les auteurs. Nous nous sommes généralement concentrés sur la cartographie de ces points de connexion importants dans de petites zones.
Et si tel est le cas, les futurs émulateurs de cerveau trouveront enfin leur place.
Carte synaptome
Pour construire un synaptome de souris, les auteurs ont conçu un plan appelé SYNMAP. Ils ont commencé avec des souris génétiquement modifiées, dont les synapses brillaient de différentes couleurs. Chaque synapse est densément remplie de protéines différentes, parmi lesquelles PSD-95 et SAP102 sont les messieurs les plus célèbres. Ne soyez pas intimidé par les noms. Les auteurs leur ont ajouté des protéines brillantes, qui ont agi comme des lampes de poche, éclairant chaque synapse du cerveau.
En général, les scientifiques ont d'abord modifié la biologie de la souris en faisant briller ses synapses sous une lumière fluorescente.
Ils ont ensuite minutieusement découpé le cerveau en morceaux, ont utilisé un microscope pour prendre des photos de synapses dans différentes régions du cerveau et assemblé les images.
L'image synaptique rappelle à l'œil non averti une carte d'étoiles bien remplie - comme celle que Hubble a récemment filmée. La catégorisation de chaque synapse va au-delà de la capacité (et du temps) de toute personne, de sorte que les scientifiques ont utilisé de nouvelles méthodes de classification utilisant l'apprentissage automatique et développé un algorithme qui analyse ces données - plus de 10 téraoctets - automatiquement, sans nécessiter de supervision.
Connectome physique
Au début, les scientifiques ont été frappés par les «schémas expressifs» des synapses brillantes. Une protéine marquée - la PSD-95 - semblait traîner dans les parties les plus éloignées du cerveau, où des fonctions cognitives supérieures ont lieu. Bien que les régions se chevauchent, une autre protéine lumineuse a préféré davantage de régions internes du cerveau.
En y regardant de plus près, il s'est avéré que les deux protéines brillantes représentent différents ensembles de synapses, ont expliqué les auteurs. Chaque zone du cerveau a une «signature synaptique» caractéristique. Tout comme les empreintes digitales, qui diffèrent par leur forme et leur taille, différentes régions du cerveau semblent contenir des synapses qui diffèrent par la composition, la taille et le nombre de protéines.
À l'aide d'un algorithme d'apprentissage automatique spécialement conçu, les scientifiques ont classé les synapses en 37 sous-types. Fait remarquable, les régions cérébrales associées à des capacités de raisonnement et de réflexion plus élevées contenaient également la population la plus diversifiée de synapses, tandis que les «régions cérébrales reptiliennes» étaient plus homogènes en contenu synaptique.
Pour voir si la diversité des synapses aide au traitement de l'information, les scientifiques ont utilisé des simulations informatiques pour montrer comment les synapses réagissent aux circuits électriques normaux de l'hippocampe, une zone du cerveau importante pour l'apprentissage et la mémoire. L'hippocampe est l'une des zones qui présentent une diversité frappante dans les sous-types de synapse.
Il est important de noter que chaque type de traitement de l'information électrique est transmis à une carte synaptome unique - changez l'entrée, le synaptome changera.
Cela suggère que le cerveau peut traiter plusieurs informations électriques en utilisant une zone du cerveau parce que différentes synaptoses sont impliquées.
Les scientifiques ont trouvé des résultats similaires lorsqu'ils ont enregistré des circuits électriques du cerveau de souris essayant de choisir entre trois options de récompense. Divers synaptomes ont été tirés lorsque le choix était bon ou mauvais. Comme une carte de la pensée intérieure, les synaptomes ont peint une image vivante de ce que la souris pensait lorsqu'elle faisait un choix.
Chaque comportement active un synaptome distinct. Chaque synaptome est une distribution unique du processus de pensée.
Reprogrammation du synaptome
Comme le code informatique, le synaptome semble sous-tendre un résultat de calcul - une décision ou une pensée. Et si je change ce code?
Les maladies psychiatriques ont souvent des causes génétiques qui affectent les protéines de la synapse. En utilisant des souris qui présentaient des symptômes similaires à la schizophrénie ou à l'autisme, les scientifiques ont cartographié leurs synapses - et ont trouvé des changements dramatiques dans la façon dont les différents sous-types de synapses dans le cerveau sont structurés et connectés.
Par exemple, en réponse à des circuits électriques normaux dans le cerveau, certaines cartes synaptiques étaient faibles, tandis que d'autres sont devenues anormalement fortes chez les souris mutantes. Les mutations peuvent modifier le synaptome et conduire potentiellement à des troubles psychiatriques. Autrement dit, certaines maladies psychiatriques "reprogramment" le synaptome. Des cartes synaptiques plus fortes ou simplement nouvelles peuvent être la raison pour laquelle les patients schizophrènes éprouvent des délires et des hallucinations.
Alors vous êtes votre synaptome?
Peut être. L'essence de vous - souvenirs, pensées - semble être imprimée dans la façon dont différentes synapses sont activées en réponse à l'entrée. Comme une empreinte digitale, le synaptome pourrait être lu pour déchiffrer ce que vous pensez. Cependant, cette recherche n'est que le début. Les neuroscientifiques n'ont pas encore analysé les connexions complexes entre les synapses et vous.
Ilya Khel
