Un nouveau modèle pour prédire le développement du cerveau

Dès les premières semaines de la vie, d’innombrables connexions se nouent entre les neurones pour assurer la propagation des signaux nerveux. Ces connexions façonnent progressivement l’architecture finale du cerveau, appelée connectome. Notre capacité à effectuer des tâches cognitives complexes, telles que l’orientation spatiale ou la résolution de problèmes, dépend de sa structure. Mais comment apparaît-il au cours du développement ?

Au Paris Brain Institute, Vito Dichio et Fabrizio de Vico Fallani ont introduit un modèle informatique qui reproduit la trajectoire du câblage cérébral chez le ver C. elegans. A terme, ils espèrent appliquer ce nouveau modèle, décrit dans Lettres d'examen physiqueà d’autres espèces, y compris les humains.

Chez les organismes dotés d'un système nerveux, c'est-à-dire la plupart des espèces animales, le connectome, réseau formé de toutes les connexions qui relient les neurones entre eux, est un élément crucial au bon fonctionnement du cerveau. Elle est essentielle à l’intégration des informations issues de l’environnement et à l’émergence de fonctions cognitives primaires, comme l’attention ou la mémoire. Lorsqu’il est endommagé à la suite d’une blessure, par exemple après un accident vasculaire cérébral, la fonction cérébrale est également affectée.

“La carte du connectome varie selon les espèces, qui possèdent plus ou moins de neurones, et les individus. Elle peut aussi se réorganiser tout au long de la vie pour compenser certains déficits : cette capacité s'appelle la plasticité cérébrale”, Fabrizio de Vico Fallani (Inria), responsable de la NERV. équipe du Paris Brain Institute, explique.

Cependant, la formation de connexions neuronales au cours du développement cérébral n’est pas entièrement aléatoire. Il suit des règles génétiquement codées et est guidé par la sélection : le corps conserve les connexions qui permettent au cerveau de fonctionner correctement. L’équipe tente de décrire mathématiquement ces règles organisationnelles – le produit de millions d’années d’évolution – et de les simuler dans un modèle de développement cérébral.

Trouver les lois du câblage cérébral

“Nous utilisons plusieurs organismes modèles pour étudier le connectome, comme le nématode et la drosophile. Ces espèces sont extrêmement utiles : elles possèdent un petit nombre de neurones, entre dizaines et centaines de milliers, qui permettent de dresser une carte exacte de leur connexions neuronales à différents stades de développement”, Vito Dichio, ancien doctorant. étudiant de l’équipe et premier auteur de l’article, dit. “Dans cette étude, nous avons utilisé le connectome du ver C. elegans, dont le cerveau possède environ 180 neurones.”

Pour simuler le développement cérébral du ver, les chercheurs ont utilisé un modèle basé sur la dynamique « exploration-exploitation », c'est-à-dire une combinaison d'exploration aléatoire de nouvelles connexions neuronales et d'exploitation des connexions les plus viables pour soutenir la fonction cognitive. Après avoir défini l'état final du connectome adulte chez le ver, c'est-à-dire les caractéristiques neuronales idéales d'un animal capable de se déplacer, de se nourrir et de se reproduire, ils ont laissé leur algorithme « rechercher » la trajectoire de développement qui conduirait, étape par étape, à ce résultat.

“Dans chaque simulation, la trajectoire de développement de notre nématode virtuel était légèrement différente”, explique Vito Dichio. ” Cependant, en moyenne, la formation du réseau neuronal a reproduit les mêmes étapes intermédiaires observées biologiquement dans le développement cérébral du ver. Pour nous, c'est une preuve supplémentaire que le câblage du cerveau suit des règles mathématiques très simples, qui sont pourtant à l'origine du fonctionnement du cerveau du ver. extraordinaire complexité du système nerveux.

Mais ces règles simples sont-elles universelles ? “Pour le savoir, il faudra tester ce modèle sur le connectome d'autres espèces, comme les mouches, les souris, le poisson zèbre, et éventuellement sur l'homme”, ajoute le chercheur.

Prédire la trajectoire de développement optimale

En effet, si jamais nous disposions d’une base de données complète du connectome humain, et si ce modèle résiste à l’épreuve des tests successifs chez différentes espèces, il pourrait aider les chercheurs à définir la trajectoire de développement optimale pour un cerveau sain. “Nous en sommes encore loin ! Mais peut-être un jour parviendrons-nous à déterminer le moment précis où le développement s'écarte de cette voie idéale, donnant lieu à des troubles à l'origine de maladies neurodégénératives”, estime Fabrizio De Vico Fallani. “Cela pourrait nous aider à intervenir chez les patients au bon moment avec des médicaments neuroprotecteurs.”

Dans un avenir proche, le modèle pourrait également être appliqué à la plasticité cérébrale pour prédire la guérison des patients après un accident vasculaire cérébral et la guider grâce à des techniques interventionnelles telles que la stimulation cérébrale profonde.

« Au-delà de ces applications importantes, nous espérons contribuer à une meilleure compréhension de la maturation cérébrale. Il s'agit d'un processus dont la complexité semblait irréductible il y a seulement dix ans mais dont nous comprenons de mieux en mieux les principes, notamment grâce à l'apport de disciplines qui ont longtemps semblé hors de propos. à décrire l'organisation du vivant, comme les mathématiques”, conclut le chercheur.