Une coalition internationale de neuroscientifiques, d'informaticiens et de citoyens bénévoles réunie au sein du consortium FlyWire a dévoilé le premier schéma de câblage synaptique complet neurone par neurone — ou connectome — du cerveau d'une mouche du vinaigre adulte. Publié sous la forme d'une collection historique de neuf articles dans la revue Nature et codirigé par des chercheurs de l'université de Princeton, de l'université de Cambridge et du Laboratoire de biologie moléculaire du Medical Research Council (MRC) britannique, cet atlas recense les 139 255 neurones et 54,5 millions de synapses d'une femelle adulte de Drosophila melanogaster.

Bien que le cerveau d'une drosophile mesure moins d'un millimètre de large — soit moins qu'une graine de pavot —, il renferme environ 149,2 mètres de câblage biologique complexe capable de commander le vol, la vision binoculaire, la navigation spatiale, la mémoire associative, le toilettage et les parades nuptiales. Avant l'exploit de FlyWire, les seuls organismes dotés d'un connectome cérébral intégralement cartographié étaient le ver nématode Caenorhabditis elegans (302 neurones), l'annélide marin Platynereis dumerilii et la larve de drosophile (3 016 neurones).

Microscopie électronique, segmentation par IA et relecture mondiale

La construction de cette carte a débuté avec un jeu de données brutes acquis en 2018 par Davi Bock et ses collègues du campus de recherche Janelia du Howard Hughes Medical Institute, qui ont découpé le cerveau d'une mouche femelle en 7 050 tranches ultrafines de 40 nanomètres avant de les photographier par microscopie électronique à transmission à haute vitesse. Pour convertir ces 21 millions de clichés en un schéma tridimensionnel, les professeurs de Princeton Sebastian Seung et Mala Murthy ont mis au point des algorithmes d'apprentissage automatique capables de suivre les membranes cellulaires.

L'intelligence artificielle commettant encore des erreurs de traçage sur des ramifications microscopiques, l'équipe de Princeton a bâti une plateforme collaborative ouverte qui a permis à 287 chercheurs de plus de 140 laboratoires dans le monde — épaulés par des joueurs de science participative — de relire et d'annoter manuellement chaque neurone. Les équipes dirigées par Gregory Jefferis à Cambridge et Philipp Schlegel ont ainsi classé les circuits en 8 453 types cellulaires distincts, dont plus de la moitié (4 581) n'avaient jamais été décrits auparavant.

“Si nous voulons comprendre comment fonctionne le cerveau, nous avons besoin d'une compréhension mécaniste de la façon dont tous les neurones s'assemblent et permettent de penser. Disposer du connectome complet de la mouche adulte est une transformation pour les neurosciences.” — Sebastian Seung, professeur de neurosciences et d'informatique à l'université de Princeton

Simulation des signaux cérébraux et futurs atlas chez les mammifères

Les études complémentaires publiées dans Nature illustrent déjà la puissance prédictive de cette base de données en libre accès. Dans une expérience, des chercheurs de Princeton ont élaboré un modèle informatique de l'ensemble du connectome capable de prédire avec plus de 90 % de fiabilité quels circuits moteurs s'activeraient lors de la stimulation des récepteurs du goût sucré ou amer, en parfait accord avec l'imagerie cérébrale sur des mouches vivantes. D'autres articles ont retracé les voies visuelles complètes ainsi que les neurones spécifiques qui commandent l'arrêt de la marche.

La drosophile partageant environ 60 % de son ADN avec l'être humain — dont les trois quarts des gènes liés aux maladies humaines connues —, les chercheurs estiment que ce connectome constitue un plan de référence inestimable pour étudier les troubles neurologiques et inspirer de nouvelles architectures d'intelligence artificielle économes en énergie. Forts des outils perfectionnés grâce à FlyWire, les neurobiologistes visent désormais la cartographie du connectome complet du cerveau de la souris, qui compte environ 70 millions de neurones.

Frequently Asked Questions

Combien de neurones et de synapses ont été cartographiés dans le connectome de la drosophile adulte ?

Le connectome FlyWire répertorie l'intégralité des 139 255 neurones et des 54,5 millions de connexions synaptiques du cerveau d'une femelle adulte de Drosophila melanogaster.

Pourquoi cette carte cérébrale de la mouche adulte est-elle considérée comme une percée majeure ?

Jusqu'ici, le schéma cérébral complet le plus complexe était celui d'une larve de mouche comptant 3 016 neurones ; le cerveau adulte est près de 50 fois plus vaste et orchestre le vol, la vision, la navigation et la mémoire.

Sources

Neurosciences Connectome FlyWire Université de Princeton Université de Cambridge Drosophile Biologie