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Pour la première fois, des scientifiques ont « imagé » le cerveau entier de la drosophile Drosophila melanogaster, avec suffisamment de détails pour détecter les synapses, entre chaque neurone. La base de données d’images qui en résulte pourrait aider les chercheurs à cartographier les circuits neuronaux, qui sous-tendent chaque sniff, buzz et manœuvre aérienne dans le comportement d’une mouche.

Une réalisation exceptionnelle

« Cet ensemble de données – et les opportunités qu’il crée – sont sans doute l’une des choses les plus importantes qui se soit jamais produites en neurobiologie. », explique Rachel Wilson, neurobiologiste à l’Université de Harvard qui n’était pas impliquée dans ce nouveau travail. « N’importe qui dans le monde qui est intéressé peut télécharger l’ensemble de données et déterminer si deux neurones échangent les uns avec les autres. »

Le cerveau des mouches des fruits ont 100 000 neurones, ce qui très peu comparé aux quelque 100 milliards de neurones de nos propres cerveaux. Mais cette mouche est encore « beaucoup plus que ce petit insecte que vous écartez de votre verre de vin au cours du dîner », explique Davi Bock, neuroscientifique au Janelia Research Campus de Howard Hughes Medical Institute à Ashburn, en Virginie. Certains systèmes dans le cerveau des mouches, comme ceux qui sont responsables de la détection et de la mémorisation des odeurs, partagent probablement des «principes communs» avec ceux des humains, explique ce neuroscientifique.

Comment ils ont réussi ce tour de force

Pour faire ressortir les caractéristiques des synapses individuellement, où un signal d’un neurone se déplace vers un autre, Bock et ses collègues ont utilisé un microscope électronique, qui peut montrer des détails beaucoup plus fins qu’un microscope optique traditionnel. Ils ont imbibé le cerveau d’une mouche dans une solution contenant des métaux lourds, qui se sont liés aux membranes des neurones et aux protéines au niveau des synapses. Cela faisait ressembler le cerveau à une liasse de nouilles, chacune sombre à l’extérieur mais blanche à l’intérieur, explique Bock. Ensuite, un couteau en diamant a coupé le cerveau en environ 7000 tranches, dont chacune a été frappée avec un faisceau d’électrons du microscope pour créer une image.

Ce processus nécessitait une caméra capable de capturer 100 images par seconde, un système robotisé pour sculpter chaque tranche de cerveau avec une précision nanométrique et un logiciel pour assembler les 21 millions d’images obtenues. Le résultat est une reconstruction qui permet aux chercheurs de zoomer sur les caractéristiques d’une synapse.

« Ce document est la définition absolue d’un tour de force en matière de réalisation technique », explique la neurobiologiste Cornelia Bargmann de l’Université Rockefeller de New York. Elle étudie le système nerveux du nématode Caenorhabditis elegans; un diagramme de câblage, ou connectome, de ses 302 neurones qui a été publié en 1986. Pour obtenir un diagramme similaire pour le cerveau des mouches, les chercheurs devront utiliser ces nouvelles images pour tracer chaque neurone à travers le cerveau.

Jusqu’à présent, Bock et son équipe l’ont fait pour un petit sous-ensemble de neurones dans une partie du cerveau impliquée dans l’apprentissage et la mémorisation des odeurs appelées « Mushroom bodies« . Ce projet décrit dans Cell, donne de nouveaux détails sur le système olfactif de la mouche. Par exemple, les neurones qui relaient les informations sur les odeurs aux cellules du « Mushroom bodies », forment des faisceaux serrés de manière inattendue, que l’équipe de Bock étudie actuellement pour savoir comment les mouches échantillonnent les odeurs dans leurs environnements.

Cartographier le connectome des vertébrés

Si des équipes à travers le monde parviennent à réaliser une reproduction de câblage complet du cerveau de la mouche, elles devront ensuite combiner cette information avec d’autres technologies qui enregistrent l’activité cérébrale des mouches vivantes. La force des connexions entre les neurones change dans différents contextes et dans le temps, note Bargmann. « J’ai travaillé sur un organisme avec un connectome pendant 30 ans, et nous découvrons toujours comment fonctionne ce système nerveux. »

Mais les capacités techniques décrites dans ce nouveau document suggèrent qu’il sera bientôt possible de cartographier le connectome d’une créature qui est encore une autre étape évolutive plus proche de l’homme. « Étant donné que la mouche travaille d’une certaine façon, le poisson-zèbre est à peu près du même ordre de complexité », explique Bargmann. « Je pense que nous pourrons arriver aux vertébrés dans très peu de temps. » Cela permettra de mieux comprendre comment fonctionne le cerveau des êtres humains, et éventuellement les maladies qui y sont reliées.

Source : Science