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Imaging Brain Circuits to Decode Brain Computations: Multimodal Multiscale Imaging of Cortical Microcircuits to Model Predictive Coding in Human Vision

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Un nouvel atlas du cerveau révèle ses connexions avec des détails sans précédent

La combinaison de l’IRM à très haute intensité de champ et de la microscopie à nappe de lumière personnalisée a permis de créer une image complète et haute résolution de la structure 3D du cerveau.

Santé

On estime que le cerveau humain contient 86 milliards de neurones et un nombre égal de cellules de support, disposées en réseaux et circuits complexes, dont l’architecture est encore largement inconnue. Le projet MULTICONNECT, financé par l’UE, visait à faire la lumière sur la structure du cerveau grâce à l’utilisation de techniques d’imagerie pionnières. Auparavant, la méthode la plus courante pour étudier l’anatomie du cerveau humain consistait à couper de fines sections d’environ 100 microns d’épaisseur et à les examiner au microscope. Cependant, cela détruit et donc obscurcit les structures 3D de l’organe. «Si vous prenez le cortex, vous devez le regarder sur un champ de vision suffisamment large pour avoir une perspective de sa structure 3D complexe», explique le coordinateur du projet Alard Roebroeck. «Nous voulons regarder le cerveau de manière multi-échelle et multimodale, avoir une perspective mesurée en centimètres, mais en même temps une résolution au niveau des cellules individuelles.»

Haute puissance

Pour y parvenir, Alard Roebroeck et son équipe, de la section Imagerie multi-échelle de la connectivité cérébrale du Département de neurosciences cognitives de l’Université de Maastricht, a prélevé de grands morceaux de tissu neural sur des cadavres, y compris des cerveaux entiers, et les a imagés avec un scanner IRM à très haute intensité de champ. «Les scanners IRM dans les hôpitaux fonctionnent généralement à 1,5-3 tesla et ont une résolution isotrope d’environ 1 mm», explique Alard Roebroeck. «Nous avons utilisé jusqu’à 9,4 tesla, en utilisant des bobines de radiofréquence personnalisées et des temps d’imagerie plus longs, pour imager le cerveau entier à 100 microns et moins.» Ces données ont ensuite été combinées avec des images capturées via la microscopie à nappe de lumière. Cette technique illumine les échantillons avec une feuille plate de lumière laser permettant à l’intérieur du tissu d’être imagée dans des sections optiques minces sans perturber sa structure 3D et à une vitesse d’imagerie très élevée. Pour maximiser la préservation des structures 3D, Alard Roebroeck a utilisé de grandes sections de tissu cérébral jusqu’à 5 mm d’épaisseur, les rendant d’abord transparentes en éliminant les matières indésirables telles que les lipides. Afin de traiter des échantillons de cette taille – mesurant 8 cm carrés et plus – un microscope à nappe de lumière personnalisé a dû être conçu et construit. Alard Roebroeck et son équipe ont pu visualiser des détails fins, tels que les couches individuelles, les colonnes et les cellules de la feuille corticale, mesurant elle-même 4 mm d’épaisseur seulement. «Nous sommes les premiers à l’imager à une résolution de 75 microns sur tout le cerveau», ajoute-t-il.

Traitement des données

Le projet a généré d’énormes quantités de données, jusqu’à 10 téraoctets pour un seul échantillon. «Il y a toujours des défis concomitants avec les progrès de l’imagerie, vous avez besoin de nouvelles façons d’adapter et de traiter des données mille fois plus importantes que celles auxquelles vous êtes habitué», fait remarquer Alard Roebroeck. Les travaux ont été soutenus par le Conseil européen de la recherche. Les techniques d’imagerie ont déjà suscité un intérêt pour leur potentiel dans d’autres domaines, tels que l’analyse tumorale en pathologie et la pose d’implants dans la stimulation cérébrale. Le nouvel atlas de la structure cérébrale sera mis à la disposition d’autres chercheurs. Une question clé pour Alard Roebroeck est de savoir comment la microstructure du cerveau définit le type de calculs qu’il peut effectuer. «Nous commençons à changer la vision du calcul dans le cerveau. Maintenant, nous savons mieux quelles sont les contraintes existantes et les types de circuits qui peuvent être formés dans ces cellules», dit-il.

Mots‑clés

MULTICONNECT, cerveau, structure, IRM, imagerie, tesla, nappe de lumière, microscopie, résolution, téraoctets, cortex, feuille corticale

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