La recherche des secrets du cerveau humain

Christof Koch achevait son doctorat sur la modélisation cérébrale théorique en 1982 quand il a reçu un télégramme inquiétant de son conseiller, Tomaso Poggio.

Poggio, qui s'était installé aux États-Unis l'année précédente l'année précédente, avait auparavant averti Koch, qui envisageait de le rejoindre, qu'il pourrait avoir du mal à trouver un poste aux États-Unis. Après avoir obtenu son doctorat à l’Institut Max Planck de cybernétique biologique de Tübingen, Koch espérait occuper un poste de post-doctorant dans le nouveau laboratoire de Poggio au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge.

Mais Poggio avait découvert qu’il y avait déjà aux États-Unis quelqu'un qui fabriquait des modèles de cerveau computationnel et, écrit Koch, il écrit: «Je suis inquiet, y at-il assez de postes de professeur pour couvrir deux personnes modélisant le cerveau dans l'ensemble des États-Unis d'Amérique ? "

Cela semble amusant, dit Koch, car aujourd’hui ce ne sont pas les postes qui manquent; il estime que 5 000 personnes aux États-Unis font la même chose. «Chaque université aura désormais deux, trois, quatre, cinq professeurs qui ne font que des neurosciences théoriques, des neurosciences informatiques, des données informatiques dans le cerveau», dit-il. Et il existe maintenant de nombreux autres emplois dans le domaine des neurosciences, allant d’universités de recherche conventionnelles et d’instituts spécialisés à des sociétés développant la neurotechnologie. "Il existe une variété d'opportunités, bien plus que jamais auparavant", déclare Koch. "C’est un moment fantastique pour étudier le cerveau."

Sur la carte

Nombre de ces opportunités proviennent de la montée en puissance de projets nationaux et internationaux de grande envergure dédiés à la compréhension du cerveau humain. Au cours des six dernières années, l'Union européenne, les États-Unis et le Japon ont tous lancé des projets pluriannuels d'une valeur de plusieurs millions de dollars visant à analyser le fonctionnement du cerveau: son apprentissage, son contrôle et son comportement. Koch lui-même participe à certains de ces projets en tant que scientifique en chef et président de l'Institut Allen pour Brain Science, une organisation de recherche à but non lucratif basée à Seattle (Washington), créée par le regretté cofondateur de Microsoft, Paul Allen. L'institut est en train de créer un catalogue des différents types de cellules dans le cerveau des humains et des souris, appelé Allen Brain Atlas.

D'autres pays – le Canada, l'Australie, la Corée du Sud et la Chine – en sont aux débuts de leurs propres efforts à grande échelle. L'objectif étant de décrire en détail le fonctionnement du cerveau à différents niveaux, du cellulaire au comportemental, on espère que ces projets déboucheront sur de nouvelles façons de traiter les maladies du cerveau et les problèmes de santé mentale, ainsi que de faire progresser les maladies artificielles. technologies de l'intelligence (AI). Pour ce faire, les investisseurs investissent des milliards de dollars dans les projets, créant ainsi des perspectives de carrière non seulement pour les neuroscientifiques, mais également pour les physiciens, mathématiciens, chimistes, scientifiques des matériaux et spécialistes médicaux, qui doivent tous être formés pour travailler dans différentes disciplines.

L'effort de l'Union européenne, un programme d'environ 10 milliards d'euros sur 10 ans, baptisé Human Brain Project (HBP), a été lancé en 2013. Cet effort tentaculaire emploie directement 500 scientifiques répartis dans des universités, des hôpitaux et des instituts de recherche. dans toute l’Europe et fournit des financements qui en soutiennent beaucoup plus. Son objectif, explique la directrice de la recherche scientifique Katrin Amunts, qui étudie le cerveau à l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf en Allemagne, est de développer des outils d’étude du cerveau et de créer une infrastructure de supercalculateurs et des plates-formes de partage de données qui permettront aux chercheurs de mener des études plus complètes. que ce qu'ils pourraient eux-mêmes. «Dans dix ans, nous n'aurons pas compris le cerveau humain. C'est tout simplement trop complexe et nous devons encore beaucoup apprendre », dit-elle.

Cela ne signifie toutefois pas que le monde devra attendre une date vague pour voir les avantages. Par exemple, Viktor Jirsa, physicien qui dirige l’Institut des systèmes de neurosciences de l’Université Aix-Marseille en France, a utilisé des informations sur la façon dont les neurones sont reliés dans le cerveau – le «connectome» – pour développer le patient souffrant d’épilepsie virtuelle. Il prend des lectures du cerveau des personnes en crise d'épilepsie et utilise ces mesures pour localiser plus précisément les sources de ces crises. L’espoir est qu’en ciblant des connexions neuronales spécifiques impliquées dans l’épilepsie d’une personne donnée, les chirurgiens du cerveau puissent effectuer des traitements plus ciblés et améliorer le taux de réussite des interventions chirurgicales destinées à faire cesser les crises épileptiques au-delà du taux de réussite actuel d’environ 50%. Jirsa est en plein essai clinique randomisé pour tester l'idée sur environ 350 personnes.

Un autre avantage pratique Amunts espère que le RAP obtiendra: une prothèse visuelle qui pourrait rendre la vue aux aveugles. Pieter Roelfsema, neuroscientifique, dirige le groupe Vision et cognition de l'Institut néerlandais des neurosciences à Amsterdam. Construire un pont entre la compréhension biologique du cortex visuel et le résultat technique d'un œil robotisé est le type de résultat que le RAP souhaite atteindre, dit-elle. En cours de route, les chercheurs mettent au point de meilleurs algorithmes d’intelligence artificielle permettant de déchiffrer les fonctions cérébrales, ainsi que des robots virtuels permettant de vérifier si les mécanismes qu’ils pensent avoir découverts seraient efficaces.

Amunts ne s'attend pas à ce que le RAP identifie tous les secrets du cerveau et se félicite des autres programmes nationaux. «Aucun projet dans le monde ne peut répondre à toutes les questions liées au cerveau humain», dit-elle.

Circuits de construction

Avec les mégaprojets tels que le RAP, ainsi que d’autres petits programmes nationaux (voir «Projets dans le monde entier») et le financement qui leur est associé, la neuroscience est un domaine en croissance. «C’est vraiment un bon moment pour les jeunes d’entrer sur le terrain», déclare Walter Koroshetz, neurologue à la tête de l’Institut national américain des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux. Bien que les chercheurs en biologie et en médecine aient de nombreuses possibilités, les personnes issues d’autres disciplines ont également un grand besoin – en particulier dans les domaines qui contribueront au développement d’outils propices à la recherche. «Les personnes qui construiront ces bâtiments ne sont pas les biologistes, ce sont les ingénieurs, les scientifiques des matériaux et les physiciens», déclare Koroshetz. "Et les personnes qui vont examiner l’activité neuronale et essayer de comprendre ce que cela signifie, quelle est la langue du cerveau, seront des mathématiciens et des informaticiens."

Aux États-Unis, l'initiative BRAIN (Recherche sur le cerveau par le développement des neurotechnologies innovantes) a été lancée en 2014 avec un budget prévu compris entre 300 et 500 millions de dollars par an pendant 12 ans. Une grande partie de cette étude est menée sous les auspices des instituts nationaux de la santé des États-Unis. La National Science Foundation y participe également; la Defense Advanced Research Projects Agency, qui développe des technologies de pointe à usage militaire; et l'activité Intelligence Advanced Research Projects, qui fait la même chose dans le domaine du renseignement.

Selon Koroshetz, l’objectif des cinq premières années du projet était de développer des outils permettant aux chercheurs de surveiller et de manipuler les circuits cérébraux – la collection de neurones qui travaillent ensemble pour exécuter des fonctions particulières, telles que la coordination des mouvements musculaires. Les scientifiques comprennent le cerveau au niveau cellulaire, notamment l'influence des gènes sur la forme des cellules du cerveau, le fonctionnement des neurotransmetteurs et des récepteurs et la formation et le renforcement des synapses. Mais ils n’avaient pas les outils pour surveiller et comprendre l’activité des circuits, ce qui en fait le niveau supérieur de la hiérarchie des fonctions cérébrales. Parmi les outils pouvant aider, on peut citer les protéines pouvant être insérées dans des types de cellules spécifiques pour les rendre fluorescentes lorsque le calcium passe par un canal ionique, par exemple, ou des récepteurs ciblés pouvant activer ou désactiver le déclenchement de neurones en réponse à la lumière ou à un stimulus chimique .

Armés de tels outils, les scientifiques peuvent commencer à regarder ce qui ne va pas dans diverses maladies qui ne présentent pas de signes physiques évidents, contrairement à la maladie d’Alzheimer, dans laquelle des plaques sont présentes, ou des tumeurs au cerveau. Le diagnostic de nombreux problèmes de santé mentale est basé sur le comportement, mais il pourrait s'avérer utile de voir ce qui se passe dans le cerveau des personnes atteintes de ces troubles, ce qui pourrait également déboucher sur de nouveaux traitements. "Il n’existe pas de pathologie liée à la douleur chronique, à la schizophrénie, à la dépression ou au syndrome de Tourette, mais ce sont des troubles clairs du circuit", déclare Koroshetz. "Vous ne pouviez même pas vous approcher pour essayer de comprendre ce qui n'allait pas avec le circuit auparavant."

Des cerveaux nécessaires

Pour construire et utiliser ces outils, les chercheurs ont besoin d’une mentalité transdisciplinaire, explique Yves De Koninck, directeur du Centre de neurophotonique au Québec, Canada. Le centre réunit des neuroscientifiques, des physiciens, des chimistes, des mathématiciens et des ingénieurs. Ils développent du matériel (tels que des sondes à fibre optique et des microscopes), des logiciels d'analyse et de modélisation des données cérébrales, ainsi que ce que De Koninck appelle «wetware», tels que des outils permettant aux chercheurs de contrôler les cellules vivantes à l'aide de la lumière. «La science du cerveau concerne tout, de la compréhension des principes fondamentaux du fonctionnement des cellules à la construction de la société. Nous avons donc vraiment besoin de personnes capables de faire la liaison entre différentes disciplines», déclare De Koninck.

De Koninck dirige un programme de formation transdisciplinaire au Centre de neurophotonique. Il fait également partie de la stratégie canadienne de recherche sur le cerveau, une collaboration de divers groupes canadiens de recherche sur le cerveau. L’une des priorités, dit-il, est la formation de partenariats entre institutions, disciplines et nations. "Dans le domaine des neurosciences, nous ne pouvons pas comprendre la complexité du cerveau en continuant à travailler seuls", dit-il.

Amunts convient que les neurosciences ont besoin de chercheurs formés dans divers domaines. "De telles personnes sont très rares en ce moment, nous commençons donc à les éduquer."

Par exemple, l’Université Heinrich Heine, où Amunts dirige l’Institut de recherche sur le cerveau Cécile et Oskar Vogt, offre une maîtrise en neuroscience translationnelle, et certains des cours suivis par les étudiants sont parrainés par le HBP. Les scientifiques en début de carrière qui souhaitent participer à la recherche sur le cerveau doivent être disposés à apprendre de collègues de disciplines différentes, a déclaré Amunts.

Et le champ de recherche ne devrait que s’accroître, selon des chercheurs en neurosciences (voir «Se lancer dans la recherche sur le cerveau»). «C'est un âge d'or de la science du cerveau», déclare Koch. «Cela concerne également beaucoup plus les gens que d'étudier le cœur ou le foie, car qui vous êtes dépend de votre cerveau. Si votre cœur est défectueux, vous pouvez obtenir une greffe du cœur et vous l’êtes toujours. Qui nous sommes, comment nous pensons, nos rêves, nos aspirations, notre conscience même est très étroitement liée au cerveau. "