Dans un «tour de force», des chercheurs imaginent un cerveau de mouche entier dans les moindres détails

Les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique pour reconstruire un ensemble de neurones dans le cerveau de la mouche (en couleur, ci-dessus) qui fournit des informations sur les odeurs à une région du cerveau impliquée dans la mémoire et l'apprentissage.

Z. Zheng et al ./ Cellule 2018

Pour la première fois, les scientifiques ont imaginé l'ensemble du cerveau de la mouche des fruits Drosophila melanogaster avec suffisamment de détails pour détecter les jonctions individuelles, ou 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.

"Cet ensemble de données - et les opportunités qu'il crée - sont ... sans doute l'une des choses les plus importantes qui se sont produites en neurobiologie récemment", explique Rachel Wilson, neurobiologiste à l'Université de Harvard qui n'était pas impliquée dans le nouveau travail. "N'importe qui dans le monde qui est intéressé peut télécharger l'ensemble de données et déterminer si deux neurones ... parlent les uns aux autres."

Le cerveau des mouches des fruits de 100 000 neurones est élémentaire comparé aux quelque 100 milliards de neurones de nos propres crânes. Mais la mouche est encore "beaucoup plus que ce petit grain que vous écartez de votre verre de vin au cours du dîner", dit 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, dit-il.

Pour faire ressortir les caractéristiques des synapses individuelles, où un signal d'un neurone se déplace vers un autre, Bock et ses collègues ont utilisé un microscope électronique, qui peut résoudre 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 lient 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.

Le 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 individuelle.

"Ce document est la définition absolue d'un tour de force en termes 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 a été publié en 1986. Pour obtenir un diagramme similaire pour le cerveau des mouches, les chercheurs devront utiliser les nouvelles images pour tracer chaque neurone à chaque autre neurone qu'il écoute et parle à travers le cerveau. 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 le champignon. Ce projet initial, décrit aujourd'hui dans Cellule , donne de nouveaux détails à propos du système olfactif bien étudié de la mouche. Par exemple, les neurones qui relaient les informations sur les odeurs aux cellules du champignon forment des faisceaux serrés de manière inattendue, que l'équipe de Bock étudie actuellement pour savoir comment les mouches échantillonnent les odeurs de leurs environnements.

Si des équipes à travers le monde parviennent à réaliser un schéma 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 le 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, le poisson-zèbre est à peu près du même ordre de complexité", dit Bargmann. "Je pense que nous pourrions arriver aux vertébrés dans pas trop longtemps."

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