« A quoi ressemble la carte des connexions dans le cerveau ? La réponse -honteuse- est que nous n’avons pas une telle carte. C’est intolérable. Sans cela, il y a peu d’espoir de comprendre comment fonctionne le cerveau, sauf dans ses aspects les plus grossiers », écrit Francis Crick, en 1993, dans Nature. Le biologiste britannique, découvreur de la structure de l’ADN, travail pour lequel il a reçu le Prix Nobel de médecine, s’indigne d’observer que les neurosciences progressent de plus en plus vite sans avoir une image claire du fonctionnement du très vaste réseau de neurones qui constitue le cerveau.
Depuis lundi 30 juin 2008, cette lacune est en partie comblée. Une équipe américano-suisse, dont font partie des chercheurs du Centre hospitalier universitaire vaudois (CHUV) et de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, est parvenue à générer de manière non invasive la première cartographie en haute résolution de la connectivité structurelle d’un cerveau humain à l’échelle macroscopique. Elle l’appelle le « connectome », en référence au « génome », le plan d’organisation des gènes d’un organisme. Ces travaux, qualifiés d’avancée considérable par les spécialistes, sont publiés dans la revue PLoS Biology. Ils ouvrent des champs d’exploration pour mieux comprendre des pathologies comme l’épilepsie ou la schizophrénie.
Depuis de nombreuses années, les neuroscientifiques tentent de décrire la façon dont se connectent les cellules nerveuses pour former les « autoroutes de l’information cérébrales ». Chez des animaux (macaque, chat, rat), ils ont recréé des modèles neuro-informatiques de la connectivité de leur cortex à grande échelle. Et des expériences datant d’un siècle déjà, utilisant des colorants, ont fourni une image basique de l’organisation du cerveau humain. Mais décrire l’infime toile d’araignée que forment ses 100 milliards de neurones et leur million de milliards de connexions est une autre affaire, une tâche quasi impossible. Un tel effort, mené sur un ver de terre au système nerveux comportant seulement 300 cellules, a déjà pris une décennie...
« Par chance, le cerveau humain est organisé de telle manière que nombre de connexions sont redondantes, explique Patric Hagmann, médecin assistant au Département de radiodiagnostic et radiologie interventionnelle du CHUV et premier auteur de l’étude. Ce qui fait que l’on peut étudier la connectivité de fibres de neurones, épaisses d’un à deux millimètres, au lieu des cellules séparément. » C’est ce qu’a fait ce médecin, appuyé par Reto Meuil (CHUV), Leila Cammoun et Xavier Gigandet (EPFL), en utilisant de l’imagerie par résonance magnétique structurelle (IRM). Depuis les années 1990, cette technique, non invasive et non irradiante, permet de détecter l’activité des zones cérébrales lors de tâches cognitives. « Toutefois, on ne comprenait pas encore bien le rôle sous-jacent des structures anatomiques du cerveau dans la génération de cette activité », dit Patric Hagmann. D’où le recours à une version plus sensible de cette méthode, l’imagerie par spectre de diffusion (DSI). Pour l’expliquer, le médecin recourt à une métaphore culinaire : « Imaginons des macaroni dans l’eau. Les molécules du liquide circulent à l’intérieur de ces petits tubes de pâte. Et diffusent intrinsèquement plus dans la direction longitudinale que latérale. Les neurones, et leurs prolongements les axones, fonctionnent de la même manière, en faisant aussi circuler des molécules d’eau. Or on peut quantifier cette diffusion de l’eau avec l’imagerie par spectre de diffusion, et donc la trajectoire des paquets de neurones. » Mais le travail ne s’arrête pas là... On est moins intéressés par l’orientation des axones que de savoir quelles régions sont majoritairement connectées. Pour le savoir, on divise le cortex en petits pavés de 1,5 cm2, et on mesure la densité de connexions entre eux. Afin d’étudier les propriétés architecturales globales, nous appliquons des outils mathématiques sophistiqués issus des réseaux de télécommunication. »
Au final, quelle image apparaît ? De manière surprenante, il existe une structure hautement et densément connectée dans le cerveau de chacun des cinq sujets examinés à ce jour. « Nous avons trouvé que le noyau de la connectivité, sa partie la plus centrale, se trouve dans la zone postérieure médiane du cerveau, et qu’il chevauche les deux hémisphères, détaille Olaf Sporns, coresponsable de cette étude à l’Université d’Indiana (Etats-Unis) et l’un des deux pères, en 2005, avec Patric Hagmann, de la notion de « connectome ». Cela était inconnu jusque-là. » Toutefois, les scientifiques s’étaient intéressés à cette région du cortex pour d’autres raisons. « C’est là qu’est localisé le « réseau par défaut » (traduit de l’anglais « default network »), indique le médecin lausannois. Il s’agit d’une zone sous-activée lorsque le cerveau est sollicité pour des tâches mentales, mais qui utilise paradoxalement beaucoup d’énergie métabolique lorsque l’organe est au repos, et cela sans que l’on sache pourquoi. » Moult spéculations ont été faites au sujet de ce sous-réseau du cortex, « dont celle selon laquelle ce serait le siège de la conscience ». Avec ces nouveaux résultats, impossible de confirmer ou infirmer cette hypothèse. « Mais il nous a paru intriguant que notre carte des connexions se recoupe avec l’image IRM obtenue pour le réseau par défaut... » L’équipe a donc poussé plus avant ses recherches.
« L’idée, explique Patric Hagmann, était d’appliquer aux cartes de connexions cérébrales établies chez un individu des modèles informatiques d’activité neuronale, afin de simuler le résultat qui serait observé lors d’une mesure par IRM fonctionnelle classique. Nos résultats préliminaires montrent que la corrélation entre la simulation et la réalité est plutôt bonne. » Selon Patric Hagmann, ces travaux constituent un pas énorme pour mieux comprendre le cerveau. « Tout d’abord, ils suggèrent que la structure du réseau des connexions nerveuses définit les fonctionnalités du cerveau. Cela paraît évident, mais encore fallait-il le montrer. Avec nos schémas ressemblant à des cartes routières, pour lesquelles il existe nombre de possibilités de relier deux zones du cerveau, avec toutefois certains axes largement favorisés, nous pensons y être parvenus. » De plus, « nous avons trouvé un substrat à ce fameux et encore mystérieux réseau par défaut ». Enfin, « nous nous approchons de ce Graal qui serait de complètement simuler l’activité du cerveau. » L’ambition des scientifiques, à Lausanne mais ailleurs aussi dans ce nouveau domaine appelé « connectomique », est d’élargir le cercle des sujets analysés, afin peut-être de trouver, dans les cartes de connexions cérébrales, des singularités qui pourraient être reliées à certaines pathologies, comme l’autisme, l’épilepsie, voire la schizophrénie. « Nous envisageons aussi d’observer le cerveau d’individus à différents stades de leur développement, pour voir comment la connectivité du cortex évolue au cours du développement, puis du vieillissement », conclut Patric Hagmann.
Olivier DESSIBOURG
AUTEURS
