Une combinaison de méthodes micro et macro jette un nouvel éclairage sur la façon dont les différentes régions du cerveau sont connectées

Pour comprendre le fonctionnement de notre cerveau, on ne peut s’empêcher d’étudier comment les différentes régions du cerveau sont reliées entre elles par des fibres nerveuses. Dans le dernier numéro de les sciencesLes chercheurs du Human Brain Project (HBP) examinent l’état actuel du domaine, donnent un aperçu de la façon dont le connectome cérébral est structuré à différentes échelles spatiales, du niveau moléculaire et cellulaire au niveau macro, et évaluent les méthodes existantes et les exigences futures pour comprendre le organisation complexe du connectome.

“Il ne suffit pas d’étudier cerveau connectivité avec une seule méthode, voire deux », explique Katrin Amunts, auteure et directrice scientifique du HBP, qui dirige l’Institut des neurosciences et de la médecine (INM-1) du Forschungszentrum Jülich et l’Institut C. & O. Vogt pour la 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 multi-niveaux tels que le Julich Brain Atlas. , que nous avons développé”.

Markus Axer du Forschungszentrum Jülich et du Département de physique de l’Université de Wuppertal, qui est le premier auteur de la les sciences article, a développé avec son équipe de l’INM-1 une méthode unique appelée 3D Polarized Light Imaging (3D-PLI) pour visualiser fibres nerveuses à résolution microscopique. Les chercheurs tracent les trajets tridimensionnels des fibres à travers des sections de cerveau en série dans le but de développer un atlas de fibres 3D de l’ensemble du cerveau humain.

Avec d’autres chercheurs HBP de Neurospin en France et de l’Université de Florence en Italie, Axer et son équipe ont récemment imagé le même bloc de tissu d’un hippocampe humain en utilisant plusieurs méthodes différentes : anatomique et de diffusion. résonance magnétique imagerie (aMRI et dMRI), microscopie à fluorescence à deux photons (TPFM) et 3D-PLI, respectivement.

Les méthodes de microscopie telles que TPFM fournissent des images de résolution submicronique de petits volumes cérébraux révélant des microstructures du cerveau. cortex cérébral, mais ils ont leurs limites pour démêler les fibres qui relient les régions cérébrales distantes, qui construisent les structures profondes de la matière blanche. C’est encore plus vrai pour les mesures au microscope électronique, qui permettent d’obtenir des informations à résolution nanométrique dans un millimètre cube de tissu cérébral. En revanche, l’IRMd peut être utilisée pour la tractographie du cerveau entier (visualisation des connexions de la substance blanche), mais elle ne peut pas résoudre les fibres individuelles ou les petits faisceaux.

“3D-PLI comble le fossé entre les méthodes micro et macro”, déclare Amunts. “C’est parce que 3D-PLI résout l’architecture de la fibre à haute résolution tout en nous permettant d’imager des sections de cerveau entier que nous pouvons ensuite reconstruire en 3D pour tracer les connexions de la fibre.”

La combinaison de dMRI, TPFM et 3D-PLI a permis aux chercheurs de superposer les trois modalités dans le même espace de référence. “Cette intégration de données n’a été possible qu’en imageant un seul et même échantillon de tissu”, explique Axer. Le bloc d’hippocampe humain a voyagé d’Allemagne en France, de retour en Allemagne et enfin en Italie, où il a été traité et imagé dans différents laboratoires qui ont bénéficié d’équipements locaux hautement spécialisés.

Les chercheurs ont ensuite utilisé le Atlas du cerveau de Julich ancrez spatialement vos données dans un espace de référence anatomique. L’atlas en trois dimensions contient plus de 250 cartes cytoarchitecturales des zones cérébrales et constitue la pièce maîtresse du HBP Atlas multiniveaux du cerveau humain. “Notre atlas du cerveau nous permet d’identifier exactement où dans le cerveau nous trouvons ces microstructures”, explique Amunts. Les base de données est librement accessible via l’infrastructure EBRAINS de HBP et peut être navigué dans un visualiseur d’atlas interactif.

L’approche multi-échelles des chercheurs combinant 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.

Bien que la reconstruction de l’hippocampe soit un projet phare, plusieurs efforts internationaux sont en cours (ou sur le point de démarrer) qui doivent être organisés au niveau de l’atlas ouvert pour permettre l’intégration de données à plusieurs 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 intégrée multi-échelle combinant des méthodes micro et macro est nécessaire pour décrire et comprendre l’organisation imbriquée du cerveau humain. Cela nécessite une réévaluation critique de la méthodologie actuelle, y compris la tractographie, disent les auteurs.

Fourni par Human Brain Project