Les modèles informatiques pourraient être la prochaine étape du décodage du cerveau

Par Mary Brophy Marcus

16 sept. 2022 - Toute la journée, les cellules de votre cerveau envoient et reçoivent des messages par le biais de signaux électriques et chimiques. Ces messages vous aident à faire des choses comme bouger vos muscles et utiliser vos sens - comme goûter vos aliments, sentir la chaleur qui se dégage d'une cuisinière ou lire les mots sur cette page.

Si nous parvenions à mieux comprendre comment ces messages sont envoyés et reçus, nous pourrions mieux comprendre la connexion entre le cerveau et le corps et comprendre ce qui se passe lorsque ces connexions ne fonctionnent pas, comme dans le cas des maladies du cerveau telles que les maladies d'Alzheimer et de Parkinson.

À cette fin, les neuroscientifiques du Cedars-Sinai de Los Angeles ont construit des modèles informatiques de cellules cérébrales individuelles - les modèles les plus complexes à ce jour, selon eux. Grâce à un système de calcul à haute performance et à l'intelligence artificielle (IA), les modèles, décrits dans la revue Cell Reports, reproduisent la forme, le moment et la vitesse des signaux électriques émis par les cellules du cerveau appelées neurones.

Ces nouvelles recherches s'inscrivent dans le cadre des efforts déployés depuis des décennies par les scientifiques pour comprendre le fonctionnement interne du cerveau, non seulement sur le plan cognitif, mais aussi sur le plan biologique, génétique et électrique.

Les premiers chercheurs les plus célèbres sont Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley et John Carew Eccles, qui ont reçu le prix Nobel de médecine en 1963 pour leurs découvertes sur les membranes des cellules nerveuses.

"Nous vivons aujourd'hui un moment unique où des ensembles de données détaillées sur un seul neurone sont disponibles en grande quantité et pour de nombreuses cellules", explique l'auteur de l'étude, Costas Anastassiou, PhD, chercheur au département de neurochirurgie du Cedars-Sinai. "La taille et la vitesse des ordinateurs d'aujourd'hui nous permettent d'explorer les mécanismes [détaillés] au niveau d'une seule cellule - pour chaque cellule."

Comment modéliser l'activité des cellules du cerveau à l'aide d'un ordinateur ?

Il s'avère que les impulsions électriques que les neurones utilisent pour communiquer peuvent être reproduites à l'aide d'un code informatique.

"Nous avons reproduit les formes d'onde de tension distinctes et les trajectoires temporelles de ces impulsions à l'aide d'équations mathématiques", explique Anastassiou. Ils ont ensuite construit des modèles informatiques en utilisant des ensembles de données provenant d'expériences sur des souris.

Ces expériences mesurent certaines choses dans les cellules, comme leur taille, leur forme et leur structure, ou la façon dont elles réagissent aux changements. Chaque modèle cellulaire combine tous ces éléments et peut aider à révéler comment ils sont reliés.

Les modèles informatiques peuvent concilier deux informations essentielles : la composition cellulaire (les éléments constitutifs des cellules du cerveau) et les schémas observés pendant l'activité cérébrale. Avec l'aide de l'ordinateur, les liens entre les ensembles de données deviennent clairs. Selon les chercheurs, cela pourrait ouvrir la voie à la découverte des causes réelles des modifications du cerveau, une étape cruciale dans l'étude des troubles.

Que peuvent nous apprendre les ordinateurs sur le cerveau humain ?

L'une des utilisations potentielles les plus passionnantes des modèles de cellules cérébrales serait de tester toutes sortes de théories sur les troubles du cerveau qu'il serait difficile, voire impossible, de créer par des expériences en laboratoire. En outre, ces travaux peuvent déboucher sur de nouvelles connaissances sur le cerveau : la similitude ou la différence entre les cellules cérébrales, ce qui les relie ou les différencie, et ce que cela signifie pour toute une série de propriétés.

Les ordinateurs et les mathématiques racontent des histoires sur le cerveau, et M. Anastassiou dit que pour lui, la fascination vient de la simplicité des résultats et de la richesse de leurs impacts.

"J'ai toujours été fasciné par la façon dont les équations mathématiques représentent les cellules biologiques vivantes et informatiques, en particulier le cerveau, l'épicentre de ce qui nous rend humains", explique-t-il.