Des scientifiques viennent de dévoiler la carte la plus complète du cortex du singe à ce jour

Une équipe internationale dirigée par des scientifiques chinois vient de construire l'atlas le plus complet du cortex du singe macaque à ce jour. Couche la plus externe du cerveau, le cortex abrite bon nombre de nos précieuses fonctions cognitives : la capacité de raisonner, de prendre des décisions et de s'adapter à la volée à des environnements en constante évolution.

Comparés à d'autres animaux, les primates, y compris les humains, ont un cortex massivement élargi. Les scientifiques pensent depuis longtemps que cette bizarrerie évolutive est ce qui donne à notre cerveau la capacité de gérer des calculs complexes.

Mais comment?

Le secret peut être caché dans les nombreux types de cellules du cortex et dans leur organisation. Un thème clé en biologie est « la structure détermine la fonction ». Tout comme la construction d'un ordinateur à partir de zéro, chaque composant, son emplacement et son câblage peuvent altérer les performances.

Cataloguer l'emplacement précis de chaque cellule dans le cortex du singe pourrait aider à décoder – et peut-être à recréer numériquement – ​​les règles qui font du cortex des primates une centrale informatique.

L'étude, publié in Cellule, a également exploité un outil relativement nouveau pour la cartographie du cerveau. Appelé Stéréo-seq, la technologie extrait l'information génétique - le transcriptome - de plusieurs cellules à la fois, ajoutant une nouvelle couche de données à la position de chaque cellule.

L'équipe a créé une empreinte moléculaire pour chaque cellule en enregistrant l'activité d'environ 500 gènes. Puis, grâce à une forte dose d'IA, ils ont classé près de 1.5 million de cellules de 143 régions en types cellulaires distincts et cartographié leur emplacement dans le cortex.

Le projet a déjà donné quelques idées. Les cellules cérébrales ont tendance à agir en cliques. Certains types préfèrent la compagnie de certaines autres cellules, suggérant qu'ils forment des réseaux de neurones locaux. Les neurones qui accélèrent ou atténuent l'activité cérébrale globale ont également des points de prédilection, leur nombre variant entre les régions corticales et la profondeur.

De plus, comparée à un atlas du cerveau de souris, la nouvelle carte a trouvé plusieurs types de cellules spécifiques aux primates regroupés dans une couche du cortex.

"La composition cellulaire du cerveau et sa distribution spatiale sont les questions fondamentales de la science du cerveau, et son importance est similaire à la séquence de bases d'ADN découverte par le séquençage du génome humain", a affirmé Valérie Plante. l'auteur de l'étude, le Dr Chengyu Li de l'Académie chinoise des sciences. Le cortex cérébral des macaques est comme le nôtre, et cette étude offre la carte la plus complète du genre.

Un gâteau neuronal énigmatique

Le cortex est une structure élaborée à six couches remplie de différents types de neurones et d'autres cellules cérébrales.

Les neurones sont généralement la vedette du spectacle : ces cellules activées électriquement se connectent à des réseaux de neurones pour traiter les informations. Les deux types principaux aident à équilibrer le niveau d'activité global du cerveau. Les cellules glutamatergiques sont excitatrices, accélérant le calcul du cerveau. Les cellules GABAergiques sont inhibitrices, réduisant l'activité du réseau.

Les cellules non neurales complètent le tableau. Certains aident à protéger le cerveau contre les infections. D'autres soutiennent le métabolisme neuronal et nettoient les déchets moléculaires. Ce ne sont pas des personnages secondaires : des études récentes montrent qu'ils jouent un rôle essentiel dans la formation des réseaux de neurones au cours du développement précoce et dans la lutte contre les maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer.

La nouvelle étude s'est principalement concentrée sur ces cellules cérébrales.

Trancher et couper en dés

L'équipe a analysé les cerveaux de trois singes macaques mâles adultes. Avec plus de six milliards de cellules, leur cerveau est évolutivement proche du nôtre.

Pour commencer, l'équipe a soigneusement découpé le cerveau d'avant en arrière avec plusieurs coupes expertes. L'un, à peu près de l'épaisseur du papier d'imprimante, a été utilisé pour séquencer le profil génétique de chaque cellule.

D'autres tranches, adjacentes aux blocs plus épais pour maintenir l'intégrité spatiale, étaient encore plus fines. À la moitié d'entre eux, l'équipe a ajouté un colorant phosphorescent qui s'accroche aux protéines parsemant l'extérieur des neurones. Cette étape permet de repérer facilement des emplacements anatomiques distincts dans le cortex.

Le deuxième lot de tranches ultra-minces a vu ses données génétiques extraites au moyen du nouvel outil Stereo-seq. Pensez à cette étape fonctionnant comme un appareil photo numérique, mais au lieu de capturer des pixels, elle capture les données d'expression génique de chaque cellule sous la forme d'ARN messager (ARNm). Le « transcriptome » résultant est un instantané de tous les gènes actifs pour n'importe quelle cellule à tout moment.

Le but ici est d'imager le transcriptome de chaque cellule tout en conservant des informations sur l'emplacement physique de chaque cellule. Comme un capteur d'appareil photo, le processus commence par une puce de silicium d'environ la taille de deux timbres. La puce nouvellement conçue a un champ de vision beaucoup plus large que les itérations précédentes, comme un téléphone en mode panoramique, ce qui facilite la numérisation de régions cérébrales plus larges.

En pointillés sur chaque puce se trouvent des matrices 2D de nanobilles d'ADN à saisir sur l'ARNm. Les membranes cellulaires ont été colorées avec des colorants pour aider l'équipe à faire correspondre une empreinte transcriptomique à son hôte.

À l'aide de plusieurs algorithmes d'IA, l'équipe a mélangé tous ces ensembles de données dans le premier atlas monocellulaire tridimensionnel au monde du cortex des macaques. Chaque type de cellule est détaillé sur la carte, ainsi qu'une taxonomie à trois niveaux qui illustre comment les cellules diffèrent à travers le cortex.

Par exemple, un type de neurone excitateur dans les couches deux et trois du cortex exprime un gène « maître régulateur » pour la signalisation du stress dans le cerveau. Les trois cellules principales du cerveau - glutamate, GABA et cellules non neuronales - sont en corrélation avec la hiérarchie structurelle du cortex, certaines étant plus abondantes dans ses régions et ses profondeurs.

Une ressource pour l'évolution

Le cortex s'est considérablement développé chez les primates et est souvent considéré comme le siège de la cognition supérieure. Dans une autre analyse, l'équipe a comparé la carte du cerveau du singe à celle existante souris ainsi que le humain des atlas pour déterrer de nouveaux types cellulaires spécifiques aux primates.

Le test a identifié un groupe de cellules excitatrices dans la quatrième couche du cortex des primates qui sont absentes chez la souris. Les cellules étaient fortement concentrées à l'avant du cerveau - une zone soutenant une cognition supérieure - avec des gènes précédemment liés au langage, au développement du cerveau et à l'autisme.

L'équipe a rendu la ressource gratuite pour tous. Il fournit une multitude de données pour aborder la question séculaire de savoir comment la structure mène à l'intelligence - et quand, pourquoi et comment notre cerveau bégaie dans les maladies neurologiques. Le Dr Xun Xu a déclaré que les résultats pourraient également "promouvoir des percées dans le domaine des sciences du cerveau, telles que l'intelligence inspirée par le cerveau et les interfaces cerveau-ordinateur".

Tout l'ensemble de données est open source. Joue avec ici.

Crédit image: Atlas de Transcriptomique Spatiale du Macaque / BGI

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• La source: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/