Un millimètre cube de cerveau cartographié à une résolution nanométrique

Une étude cartographie une minuscule portion du cerveau avec un niveau de détail stupéfiant

• Des scientifiques de Google ont modélisé une petite portion de cerveau humain à une résolution nanométrique
• Des cellules présentant des caractéristiques jamais observées auparavant ont été mises en évidence
• Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans la revue Science et sont également consultables en ligne

Résultat de la cartographie 3D du fragment de cerveau

• L'objet de l'étude est un fragment de cerveau d'environ 1 millimètre cube, soit à peine un millionième du cerveau entier
• Il contient environ 57 000 cellules et 150 millions de synapses (connexions entre neurones)
• Il représente au total un volume colossal de 1,4 pétaoctet de données
• Viren Jain, chercheur chez Google, a déclaré qu'il ne serait pas facile de comprendre cette complexité

Préparation de l'échantillon cérébral et processus d'imagerie

• Une partie du cortex cérébral d'une femme de 45 ans opérée pour une épilepsie a été utilisée comme échantillon
• L'échantillon a été placé dans un conservateur et coloré avec des métaux lourds pour mieux faire ressortir les cellules
• L'équipe du neuroscientifique de Harvard Jeff Lichtman l'a découpé en 5 000 tranches de 34 nanomètres d'épaisseur, puis les a photographiées au microscope électronique
• L'équipe de Google a créé un modèle d'IA pour reconstruire en 3D les images issues du microscope

De nouveaux neurones atypiques découverts

• Des neurones capables d'établir jusqu'à 50 connexions entre eux ont été observés (contre en général 2 au maximum)
• Des neurones dotés de prolongements qui s'enroulent sur eux-mêmes pour former des nœuds ont aussi été repérés
• Une paire de neurones présentant une symétrie presque parfaite a également été découverte
• Le rôle de ces structures reste encore incertain

La nécessité de valider cet immense volume de données

• La majeure partie des données n'a pas encore été vérifiée manuellement, ce qui laisse possible l'existence d'erreurs dans le processus d'assemblage des images
• Sur 50 000 cellules, seules quelques centaines ont été vérifiées
• Jain espère que des spécialistes valideront directement les parties de la cartographie qui relèvent de leur domaine d'intérêt
• L'équipe prévoit de produire des cartes similaires à partir d'échantillons cérébraux d'autres personnes, mais la réalisation d'une carte du cerveau entier semble difficile dans les prochaines décennies

Importance de l'étude et effets attendus

• Hongkui Zeng, de l'Allen Institute, a qualifié cet article d'exploit dans la constitution de données sur le cortex cérébral humain
• La mise à disposition libre de cet immense jeu de données sera d'une grande aide pour l'étude des microcircuits du cortex cérébral
• Yongsoo Kim, de la Penn State, estime que cette carte pourrait révéler de nouvelles règles de connectivité neuronale et contribuer à décrypter le fonctionnement du cerveau humain
• Une compréhension approfondie du fonctionnement du cortex cérébral pourrait fournir des pistes pour traiter les troubles mentaux et les maladies neurodégénératives

L'avis de GN⁺

• Bien que cette étude soit de petite ampleur, elle est très importante en ce qu'elle fournit un niveau de détail sans précédent sur la structure et les connexions du cerveau. Toutefois, l'ampleur des données laisse penser que leur validation et leur interprétation demanderont d'importants efforts.

• Déterminer le rôle et la signification de ces structures neuronales atypiques nouvellement découvertes constituera une étape essentielle de la suite des travaux. Cela pourrait apporter des éclairages majeurs pour comprendre les mécanismes du cerveau et des maladies qui lui sont liées.

• À mesure que davantage de cartes du cerveau seront produites et que les données s'accumuleront, on peut espérer des applications dans le développement de nouveaux médicaments ou la médecine de précision. Cela dit, un consensus social sur les questions éthiques et juridiques sera également nécessaire.

• Il reste encore un long chemin à parcourir avant de comprendre pleinement la complexité du cerveau, mais cette étude apparaît comme une avancée marquante pour les neurosciences. Elle mérite aussi l'attention comme exemple réussi de collaboration interdisciplinaire entre les équipes de Google et de Harvard.

[GN⁺]

Avis Hacker News

• La visualisation interactive est excellente
  • Zoomez dans les coupes et faites défiler les couches, ou zoomez sur le modèle 3D
  • On peut voir qu’en survolant une partie d’un neurone avec la souris, le neurone entier est mis en surbrillance
• La carte 3D couvre un volume d’environ 1 millimètre cube, soit un millionième du cerveau entier, et contient approximativement 5700 cellules et 150 millions de synapses (connexions entre neurones)
• Cela fournit un calcul approximatif de la taille du modèle de réseau neuronal nécessaire pour imiter le cerveau humain
  • En supposant une moyenne de 20632 synapses par neurone, on estime que les 100 milliards de neurones du cerveau humain adulte totalisent 2,6x10^14 synapses
  • En supposant 1 paramètre par synapse, la taille minimale du modèle devrait être de plusieurs centaines de fois celle de GPT-4
  • Mais en tenant compte de 10 à 100 canaux ioniques par synapse et d’au moins 10 paramètres par canal, il semblerait qu’il faille plus de 2,6x10^16 paramètres
• Il faudrait relire « There's Plenty of Room at the Bottom » de Richard Feynman
  • Notamment le passage où des biologistes lui demandaient de construire un microscope électronique 1000 fois plus puissant
  • Et prêter attention à la technologie utilisée pour scanner ces images
• À partir de la photo d’un seul neurone, les chercheurs en simulation du cerveau devraient recalculer leurs estimations de la puissance de calcul nécessaire
• Existe-t-il un terme pour désigner la légère sensation de malaise provoquée par ce type d’images microscopiques du cerveau ? Je me demande si c’est une réaction normale
• Je me demande comment ils parviennent à découper 5000 tranches de 34 nm d’épaisseur sans endommager l’échantillon
• Il a été calculé qu’il faudrait 1,76 zettaoctet de stockage pour scanner l’intégralité d’un grand cerveau humain
• Il est indiqué que le fragment de cerveau a été prélevé dans le cortex cérébral d’une femme de 45 ans opérée pour traiter une épilepsie. Je me demande comment ils ont décidé quelle partie retirer
• La reconstruction précise d’un volume 3D à partir de coupes 2D est déjà un domaine bien étudié ; pourquoi les chercheurs ont-ils utilisé des modèles de ML risquant de produire des résultats hallucinés et erronés ?
• Un nouvel élément laissant penser que l’AGI (Artificial General Intelligence) est probablement impossible
  • Il serait bien plus simple de faire pousser un véritable cerveau biologique
  • Cela n’arrivera jamais sur du silicium, et toutes les machines intégreront quelque part un bloc de tissu neural de la taille d’un centimètre cube