Les scientifiques du Human Brain Project (HBP) ont utilisé une approche multi-échelle unique, intégrant diverses méthodes expérimentales, pour étudier l’organisation complexe du connectome du cerveau. Ils ont combiné des techniques telles que l’imagerie par résonance magnétique anatomique et de diffusion, la microscopie à fluorescence à deux photons et l’imagerie par lumière polarisée en 3D pour visualiser et comprendre les fibres nerveuses à différentes échelles spatiales. Leurs résultats, liés à l’atlas cérébral de Julich à des fins de référence, révèlent de nouvelles perspectives sur la connectivité et la fonction de différentes régions du cerveau.
Les chercheurs du Human Brain Project ont utilisé une approche multi-échelle, combinant diverses méthodes d’imagerie pour comprendre le connectome du cerveau humain, ou la structure interconnectée, du niveau moléculaire au niveau macro. Ils ont utilisé l’imagerie par lumière polarisée en 3D pour visualiser les fibres nerveuses et ont placé leurs résultats dans l’atlas cérébral de Julich pour référencer spatialement les données, révélant ainsi de nouvelles connaissances sur l’organisation et le fonctionnement du cerveau.
Pour comprendre le fonctionnement de notre cerveau, il est indispensable d’étudier la façon dont les différentes régions cérébrales sont reliées entre elles par des fibres nerveuses. Dans la revue Science, des chercheurs du Human Brain Project (HBP) font le point sur l’état actuel du domaine, expliquent comment le connectome du cerveau est structuré à différentes échelles spatiales – du niveau moléculaire et cellulaire au niveau macro – et évaluent les méthodes existantes et les besoins futurs pour comprendre l’organisation complexe du connectome.
« Il ne suffit pas d’étudier la connectivité cérébrale avec une seule méthode, voire deux », explique l’auteur et directrice scientifique du HBP, Katrin Amunts, qui dirige l’Institut des neurosciences et de la médecine (INM-1) au Forschungszentrum Jülich et l’Institut C. & ; O. Vogt de recherche sur le cerveau à l’hôpital universitaire de Düsseldorf. « Le connectome est imbriqué à plusieurs niveaux. Pour comprendre sa structure, nous devons examiner plusieurs échelles spatiales à la fois en combinant différentes méthodes expérimentales dans une approche multi-échelle et en intégrant les données obtenues dans des atlas multiniveaux tels que l’atlas cérébral de Julich que nous avons développé. »
Markus Axer, du Forschungszentrum Jülich et du département de physique de l’université de Wuppertal, premier auteur de l’article de Science, a mis au point avec son équipe de l’INM-1 une méthode unique appelée imagerie par lumière polarisée en 3D (3D-PLI) pour visualiser les fibres nerveuses à une résolution microscopique. Les chercheurs tracent le parcours tridimensionnel des fibres sur des coupes sériées du cerveau dans le but de développer un atlas des fibres en 3D de l’ensemble du cerveau humain.
Détail d’une coupe de cerveau humain montrant l’architecture des fibres jusqu’aux axones individuels dans l’hippocampe, révélée par l’imagerie en lumière polarisée 3D. Les couleurs représentent l’orientation des fibres en 3D, mettant en évidence les voies des fibres individuelles et des tractus. Crédit : Markus Axer et Katrin Amunts, INM-1, Forschungszentrum Jülich
Avec d’autres chercheurs HBP de Neurospin en France et de l’Université de Florence en Italie, Markus Axer et son équipe ont récemment imagé le même bloc de tissu d’un hippocampe humain en utilisant plusieurs méthodes différentes : l’imagerie par résonance magnétique anatomique et de diffusion (IRMa et IRMd), la microscopie à fluorescence à deux photons (TPFM) et la 3D-PLI, respectivement.
Les méthodes de microscopie telles que la TPFM fournissent des images d’une résolution inférieure au micromètre de petits volumes de cerveau, révélant les microstructures du cortex cérébral, mais elles ont leurs limites lorsqu’il s’agit de démêler les fibres reliant des régions éloignées du cerveau, qui construisent les structures profondes de la substance blanche. C’est encore plus vrai pour les mesures au microscope électronique, qui permettent d’obtenir une vision nanométrique d’un millimètre cube de tissu cérébral. En revanche, l’IRMd peut être utilisée pour la tractographie au niveau du cerveau entier – visualiser les connexions de la substance blanche – mais ne peut pas résoudre les fibres individuelles ou les petits tracés.
« La 3D-PLI sert de pont entre les méthodes micro et macro », explique Amunts. « En effet, la 3D-PLI résout l’architecture des fibres à haute résolution et, en même temps, permet d’imager des sections du cerveau entier que nous pouvons ensuite reconstruire en 3D pour tracer les connexions des fibres.
La combinaison de l’IRMd, de la TPFM et de la 3D-PLI a permis aux chercheurs de superposer les trois modalités dans le même espace de référence. « Cette intégration des données n’a été rendue possible que par l’imagerie d’un seul et même échantillon de tissu », explique Axer. Le bloc d’hippocampe humain a voyagé de l’Allemagne à la France, puis à l’Allemagne et enfin à l’Italie, où il a été traité et imagé dans différents laboratoires bénéficiant de l’équipement local hautement spécialisé.
Les chercheurs ont ensuite utilisé l’atlas cérébral de Julich pour ancrer spatialement leurs données dans un espace de référence anatomique. Cet atlas tridimensionnel contient plus de 250 cartes cytoarchitectoniques des zones cérébrales et constitue la pièce maîtresse de l’atlas du cerveau humain à plusieurs niveaux du HBP. « Notre atlas du cerveau nous permet de déterminer exactement où se trouvent ces microstructures dans le cerveau », explique M. Amunts. L’ensemble des données est librement accessible via l’infrastructure EBRAINS du HBP et peut être consulté dans une visionneuse d’atlas interactive.
L’approche multi-échelle des chercheurs, qui combine plusieurs modalités à différentes échelles spatiales pour démêler le connectome humain, est unique et fournit de nouvelles informations passionnantes sur le fonctionnement du cerveau humain.
Même si la reconstruction de l’hippocampe est un projet phare, plusieurs efforts internationaux sont en cours (ou sur le point d’être lancés) et doivent être orchestrés au niveau d’un atlas ouvert pour permettre l’intégration de données multi-échelles. Amunts et Axer soulignent qu’il s’agit d’une condition préalable pour révéler les principes de connectivité dans la gamme d’échelles accessibles expérimentalement – des axones aux voies. En d’autres termes, une approche multi-échelle intégrée combinant des méthodes micro et macro est nécessaire pour décrire et comprendre l’organisation imbriquée du cerveau humain. Selon les auteurs, cela nécessite une réévaluation critique de la méthodologie actuelle, y compris de la tractographie.
Référence : « Scale matters : The nested human connectome » par Markus Axer et Katrin Amunts, 3 novembre 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abq2599