Des chercheurs ont décrit récemment les cartes 3D formées par les neurones dans le cerveau de plusieurs animaux. Connaître ces connectomes permet de mieux comprendre le fonctionnement cérébral de ces espèces et leurs pathologies. Des scientifiques de l’Institut de recherche sur les cellules souches et le cerveau (SBRI) de Lyon cartographient eux le cerveau d’un primate : c’est un pas de plus vers le connectome humain.
Les hommes aiment cartographier leur environnement. Si ceux de la Préhistoire ne s’intéressaient qu’à leurs zones de chasse, on peut consulter aujourd’hui des cartes couvrant le globe terrestre. Grâce au télescope spatial Gaia, les astronomes ont cartographié une partie de la Voie Lactée. Deux milliards d’étoiles au moins ont été ainsi localisées puis nommées. C’est sans doute peu au regard de toutes celles contenues dans l’Univers… A l’identique, une cartographie reste aujourd’hui inachevée : celle de notre cerveau. Ce dernier contient un nombre de neurones proche de 100 milliards (c’est aussi le nombre d’étoiles de notre galaxie) qui peuvent être connectés, chacun, à 10 000 autres à travers les tissus cérébraux. Tracer leur mise en réseau relève du défi !
Dès les années 2010, des neuroscientifiques du monde entier se sont attelés à cette tâche à travers un projet, le « Human Connectome Project » (HCP). Un de leurs objectifs : déterminer en quoi un cerveau en bonne santé est différent de celui d’une personne malade. Cet énorme projet comprend de nombreuses étapes. Parmi celles-ci, s’inspirer de ce que nous apprennent les travaux réalisés sur des modèles animaux dont le macaque, proche de l’homme. Ce qui intéresse tout particulièrement des chercheurs de l’Institut de recherche sur les cellules souches et le cerveau (SBRI) de Lyon.
Le connectome est étudié à l’échelle des neurones et des zones cérébrales.
Si on essaie de tracer à la main la position de chaque neurone présent dans notre cerveau, ainsi que les liens qui les relient entre eux, on s’aperçoit vite que notre crayon s’échappe de la feuille de papier : il passe soit sous la table, soit il revient vers nous. Le réseau de neurones que nous traçons est en effet en trois dimensions. Baptisé « connectome » par les spécialistes en neurosciences – plutôt que « cartographie » – ce réseau est étudié à la fois à l’échelle des neurones et des zones cérébrales.
En faisant appel à des méthodes d’imagerie (voir encadré 1), les scientifiques peuvent décrire le connectome à l’échelle macroscopique : ils identifient les structures anatomiques et les zones fonctionnelles activées dans le cerveau lors de la réalisation d’une tâche. Ils savent encore estimer dans quelle direction les neurones communiquent au sein de ces régions. Mais l’imagerie n’apporte aucune information sur les liens de connexion à l’échelle des neurones. Elle ne dit pas où, ni de quelle nature sont les neurones qui composent les régions étudiées. Ni comment les neurones sont connectés entre eux. Or cette information est cruciale pour comprendre le fonctionnement du cerveau ainsi que ses troubles.
Pour lever cet obstacle, il faut recourir à des méthodes utilisant la biologie moléculaire. Mais pour des raisons éthiques, ces dernières ne peuvent être utilisées sur l’espèce humaine. Alors, pour avancer, les scientifiques se sont intéressés tout d’abord aux connectomes d’organismes plus simples tels que celui du ver C.Elegans et de la mouche (voir encadré 2). Ils ont établi ces derniers à l’échelle de la cellule, comprenant ainsi comment les neurones sont connectés entre eux dans un système nerveux. Voilà un premier jeu de données fondamental ! Puisqu’il permet d’imaginer accéder au connectome humain avec un niveau de détails de l’ordre de la cellule.
Encadré 1 : l’IRM pour déterminer le connectome
Les scientifiques utilisent plusieurs techniques d’IRM (Imagerie par Résonnance Magnétique) pour étudier le connectome humain.
L’IRM structurelle produit une image de l’anatomie du cerveau dans son ensemble avec une précision de 0,5 mm. Par contraste, les chercheurs utilisent l’IRM fonctionnelle pour visualiser les zones du cerveau impliquées dans la réalisation de tâches précises ou l’exécution de comportements spécifiques. Déterminer comment les zones sont connectées entre elles peut être réalisé grâce à l’IRM de diffusion qui permet d’observer le flux des molécules d’eau le long des connexions neurales [4].
Les utiliser nécessite une quantité de travail importante car, pour que les données soient représentatives, il faut appliquer ces méthodes à grande échelle, sur une population de volontaires en bonne santé en diversifiant leur origine, leur sexe et leur âge. Et il faut encore prendre ..beaucoup de temps pour analyser la quantité énorme de données produites.
Image : architecture des fibres de matière blanche au sein du corps calleux et du tronc cérébral du cerveau humain ( www.humanconnectomeproject.org)
L’idée des équipes ainsi réunies : assembler les bouts de connectome comme pour un puzzle.
Une étape importante reste incontournable : grâce à des outils de biologie moléculaire, localiser les connexions neuronales d’un primate proche de l’Homme, le macaque [2]. Les informations acquises chez lui sont en effet aisément transposables à nous. Et surtout, les études faites sur le système nerveux du primate permettent aux chercheurs de mieux modéliser les maladies humaines, telles que la maladie de Parkinson [3]. Dans ce cadre, l’équipe de recherche “Cortex cérébral et connectome” du SBRI s’intéresse à une structure particulière du cerveau : le claustrum. Son importance ? Cette petite structure se situe juste en-dessous du cortex insulaire, et participe à la régulation du sommeil, de la dépression, du comportement et de la conscience.
Décrire le connectome du macaque étant à elle seule une tâche colossale, plusieurs équipes de recherche réparties à travers le monde étudient le sujet en travaillant sur des structures différentes du cerveau du primate. Les scientifiques du SBRI œuvrent eux aussi en collaboration avec d’autres laboratoires. L’idée des équipes* ainsi réunies : assembler les bouts de connectome que chacune aura reconstitué à la manière d’un puzzle… très complexe.
Comment identifier les connexions faites par les cellules entre elles ? En utilisant la technique du tract-tracing : celle-ci consiste à injecter un élément traceur au plus proche de la zone d’étude – ici le claustrum – du cerveau de l’animal. Absorbé au niveau des terminaisons des axones, le traceur coloré remonte progressivement jusqu’au corps cellulaire des neurones qui ont établi des connexions dans la zone injectée et ce, de façon active.
Le traçage de ces connexions est ensuite visualisé au microscope [5]. Observer de la sorte, c’est un peu comme scruter l’intérieur d’une armoire électrique tout en remontant le long des fils colorés qu’elle renferme pour connaître qui est connecté avec quoi.
Grâce à cette méthode, les neuroscientifiques ont collecté des informations intéressantes. Ils ont réussi tout d’abord à délimiter quatre zones qui, au sein du claustrum, établissent des connexions neuronales vers quatre zones différentes du cortex dont le cortex visuel. Ils ont encore mis en évidence que les neurones se trouvant dans la partie ventrale du claustrum reçoivent des connexions depuis d’autres structures cérébrales, telles que l’amygdale ou l’hippocampe [5]. Enfin, ils ont déterminé le nombre de neurones présents dans chacune des quatre zones du claustrum : ces neurones sont connectés entre eux selon l’axe rostro-caudal.
Les informations sur le connectome du macaque ont amélioré notre compréhension de maladies humaines.
Quels peuvent être les enjeux de toutes ces connexions dans le fonctionnement cérébral de l’animal ? Y répondre nécessite de faire l’inventaire des molécules mises en jeu lors de leurs activations. Un éventail de questions s’ouvre alors…. Quels sont les neurotransmetteurs libérés ? Les récepteurs cellulaires présents ? Les protéines produites et les types cellulaires impliqués ? Pour le savoir, l’équipe du SBRI a engagé une collaboration avec des chercheurs chinois afin de séquencer l’ARN messager des groupes de neurones identifiés lors de leur premier travail.
Définition – Produite par les gènes actifs, l’ARN est une molécule spécifique à chacun de ces gènes. L’ensemble des ARN messagers permettent à la cellule (ici les neurones) de produire les protéines nécessaires à son fonctionnement : ils déterminent son identité moléculaire.
Grâce à ce séquençage, les chercheurs savent désormais que le claustrum du macaque contient 48 types de cellules différentes, dont 22 types de neurones utilisant le glutamate comme neurotransmetteur, 19 types utilisant le GABA (Acide γ-AminoButyrique), et sept types qui ne sont pas des neurones (cellules endothéliale, astrocytes, etc..) [5].
Les connaissances acquises jusqu’ici sur le connectome du macaque ont amélioré grandement notre compréhension de certaines maladies humaines, ce qui permet à certaines voies thérapeutiques d’être esquissées. Par exemple, on sait que dans le cas de la maladie de Parkinson, les symptômes sont dus à une perte de connexions d’un groupe de neurones suite à leur mort cellulaire (les neurones dopaminergiques de la substance noire) dans une structure du cerveau appelée striatum [6].
Pour les cas non génétiques de la maladie, l’équipe du SBRI a montré que la greffe de précurseurs neuronaux issus de cellules souches neurales chez le macaque permettait de restaurer la connectivité au niveau du striatum et au-delà. Cette récupération a permis le rétablissement des capacités motrices et cognitives affectée chez les patients [7]. Le connectome du cerveau du macaque a été décrit pour 70 de ses régions. Son écriture à l’échelle du cerveau entier est attendu par la communauté scientifique au cours des dix prochaines années.
Notes ——————————————————————————————————————————————
* dont des chercheurs de l’Institut Allen, de l’Université de Washington et de Notre-Dame aux US, de l’Institut RIKEN au Japon, et de l’Institut de Neuroscience de l’Académie des sciences en Chine, de l’Institut de Neuroscience Transylvanien en Roumanie
Encadré 2 : D’un ver à une mouche, les premiers connectomes
C’est en 1986 que le premier connectome d’un système nerveux a été dévoilé : celui du ver Caenorhabditis elegans. Cet animal a été choisi en raison de sa relative simplicité anatomique et parce qu’il possède “seulement” 302 neurones. Bien que l’animal fasse un petit millimètre de longueur, démêler et tracer son connectome a requis 15 ans de travail fastidieux. Pour ce faire, les chercheurs ont découpé les vers en tranches très fines pour en acquérir les images au microscope électronique afin d’obtenir une résolution leur permettant de voir les fibres neuronales, ainsi que les synapses (points de connexion des neurones).
En se basant sur ces images, ils ont retracé à la main le réseau de neurones, la position de ces derniers et localisé chaque synapse (~ 10 000). A partir de ce travail, un diagramme a été généré pour montrer chaque neurone et toutes les connections qui les relient les uns aux autres, mais aussi à d’autres types de cellules. Cette carte du système nerveux de C. elegans est à l’origine de la discipline de la connectomique [8]. Le connectome du ver a longtemps été le seul disponible.
Il a fallu attendre 2016 pour qu’un deuxième connectome soit complètement reconstruit. Cette fois, il s’agit du système nerveux du têtard d’ascidie Ciona intestinalis. La microscopie électronique a également été nécessaire pour établir ce deuxième connectome, mais la reconstruction a été améliorée et accélérée grâce à la puissance informatique. La larve de cette ascidie est similaire aux embryons de vertébrés tels que nous, et son connectome a révélé la structure asymétrique des synapses dans le cerveau [9].
Les choses se sont accélérées lors des dernières années car deux nouveaux connectomes ont été produits, toujours à partir d’imagerie électronique. En 2020, le connectome d’une autre larve marine, celle du ver Platynereis dumerilii, a été rendu public.
Alors que cet animal a un système nerveux nettement plus complexe que ceux évoqués auparavant, son connectome permet de comprendre la relation des différents types de neurones au sein des circuits neuronaux et ce, avec un regard sur l’évolution des espèces [10].
C’est enfin en 2024 qu’une grande avancée a été réalisée avec la publication du connectome complet du cerveau adulte de la mouche Drosophila melanogaster. A travers ce connectome, on dispose dorénavant de la première carte complète d’un cerveau complexe. Les informations qu’il contient vont permettre de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau dans des contextes pathologiques. Une démarche en cours d’investigation chez la mouche [11].
En attendant que le connectome humain soit achevé, le connectome de la souris et de certains primates, dont celui du macaque, sont en train d’être générés dans le projet HMBA (Human and Mammalian Brain Atlas [12]). Ces travaux permettent de développer différentes techniques de biologie moléculaire nécessaires pour étudier des cerveaux complexes.
Image : connectome de la mouche Drosophila melanogaster, avec ses 139 255 neurones et 50 millions de connexions synaptiques. Tyler Sloan pour Flywire, Princetown University (Dorkenwald et al., 2024)
Références
[1] Jennifer S. Elam, Matthew F. Glasser, Michael P. Harms, Stamatios N. Sotiropoulos, Jesper L. R. Andersson, Gregory C. Burgess, Sandra W. Curtiss, Robert Oostenveld, Linda J. Larson-Prior, Jan-Mathijs Schoffelen, Michael R. Hodge, Eileen A. Cler, Daniel M. Marcus, Deanna M. Barch, Essa Yacoub, Stephen M. Smith, Kamil Ugurbil & David C. Van Essen (2021). The Human Connectome Project: a retrospective. NeuroImage 244, 118543.
[2] The Brain Initiative Cell Atlas Network: https://brain-bican.org/
[3] Carina R. Oehrn, Stephanie Cernera, Lauren H. Hammer, Maria Shcherbakova, Jiaang Yao, Amelia Hahn, Sarah Wang, Jill L. Ostrem, Simon Little & Philipp A. Starr (2024). Chronic Adaptative deep brain stimulation versus conventional stimulation in Parkinson’s disease: a blinded randomized feasibility trial. Nature Medicine, volume 30, 3345-3356.
[4] David C. Van Essen, Stephen M. Smith, Deanna M. Barch, Timothy E. J. Behrens, Essa Yacoub & Kamil Ugurbil, for the WU-Minn HCP Consortium (2013). The WU-Minn Human Connectome Project: an overview. NeuroImage 80, 62-79.
[5] Ying Lei, Yuxuan Liu, Mingli Wang, Nini Yuan, Yujie Hou, Lingjun Ding, Zhiyong Zhu, Zihan Wu, Chao Li, et al. (2025). Single-cell spatial transcriptome atlas and whole-brain connectivity of the macaque claustrum. Cell 188, 3863-3881.
[6] Julien Vezoli, Karim Fifel, Vincent Leviel, Colette Dehay, Henry Kennedy, Howard M. Cooper, Claude Gronfier, Emmanuel Procyk (2011). Early presymptomatic and long-term changes of rest activity cycles and cognitive behavior in a MPTP-monkey model of Parkinson’s disease. PLoS ONE, volume 6, issue 8, e23952.
[7] Florence Wianny, Kwamivi Dzahini, Karim Fifel, Charles Robert Eden Wilson, Agnieszka Bernat, Virginie Dolmazon, Pierre Misery, Camille Lamy, Pascale Giroud, Howard Michael Cooper, Kenneth Knoblauch, Emmanuel Procyk, Henry Kennedy, Pierre Savatier, Colette Dehay, Julien Vezoli (2022). Induced cognitive impairment reversed by grafts of neural precursors: a longitudinal study in a Macaque model of Parkinson’s disease. Advanced Science 9, 2103827.
[8] J. G. White, E. Southgate, J. M. Thomson & S. Brenner (1986). The structure of the nervous system of the nematod Ceanorhabditis elegans. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 314 (1165):1-340
[9] Kerrianne Ryan, Zhiyuan Lu & Ian A. Meinertzhagen (2016). The CNS connectome of a Tadpole larva of Ciona intestinalis (L.) highlights sidedness in the brain of a chordate sibling. eLife, 5e:16962.
[10] Csaba Verasztó, Sanja Jasek, Martin Gühmann, Luis Alberto Bazares-Calderón, Elizabeth A. Williams, Réza Shahidi & Gáspár Jékely (2024). Whole-body connectome of a segmented annelid larva. eLife, 13:RP97964.
[11] Sven Dorkenwald, et al. (2024). Neuronal wiring diagram of an adult brain. Nature, volume 636.
[12] The Human Mammalian Brain Atlas consortium: https://brain-map.org/consortia/hmba
