«Comment le cerveau (d’une souris) décide-t-il?» Cette simple question est au cœur de l’International Brain Laboratory (IBL), vaste projet de neurosciences impliquant 22 groupes de recherche du monde entier, et lancé à Genève il y a deux ans. Après une phase de mise en place, les mesures directes dans le cortex des rongeurs commencent la semaine prochaine.
Pourquoi c’est original. Plusieurs autres initiatives mondiales de compréhension du cerveau existent, comme le Human Brain Project, lancé à l’EPFL en 2013, la BRAIN Initiative américaine, ou le China Brain Project. Mais l’IBL a ceci de particulier que la même expérience est réalisée dans une dizaine de laboratoires. De quoi obtenir, après les avoir recoupées, des données robustes concernant une tâche simple et bien ciblée.
Alexandre Pouget, professeur de neurosciences à l’Université de Genève et co-initiateur de l’IBL, projet soutenu à hauteur de 25 millions de francs par la Simons Foundation américaine et le Wellcome Trust:
«La force de notre projet est de ne pas être irréaliste ou irréalisable: on a clairement défini le but à atteindre – comprendre le processus de décision dans le cerveau lors d’un comportement adaptatif – et on sait qu’on peut l’atteindre dans un temps donné. Au contraire des autres grands projets, dont les collaborations sont parfois trop hétéroclites pour bien fonctionner (chaque groupe retournant vite à ses propres travaux bien ciblés au lieu de garder en tête l’ambition finale), nous pourrons réellement croiser les résultats obtenus sur tous nos sites.»
L’expérience. Le protocole expérimental sera identique et standardisé partout, les scientifiques ayant poussé l’exercice jusqu’à créer des plans et instructions pour faire imprimer en 3D, dans chaque labo, le dispositif nécessaire :
- Une souris est installée devant un petit écran
- Selon qu’y apparaît, sur sa gauche ou sa droite, une tâche blanche ou noire, le rongeur doit actionner un petit «volant» pour ramener ce motif au milieu de son champ de vision
- S’il agit correctement, le cobaye reçoit une récompense
- Durant cet instant de décision de la part de l’animal, l’activité de quelque 200 à 300 de ses neurones, parfois jusqu’à 1000, est simultanément captée et enregistrée à l’aide d’électrodes miniaturisées insérées dans le cortex
- Chaque groupe fait ses mesures dans une aire spécifique; l’entier d’un hémisphère cérébral sera couvert
- Les informations de tous les groupes sont combinées pour produire, comme un puzzle, une carte de l’activation cérébrale ; «nous espérons avoir d’ici Noël 2019 une telle carte, constituée à l’aide de mesures sur 30 à 50 cerveaux», dit Alexandre Pouget.
Oui, mais pas si vite… En 2017, dans une analyse publiée dans la revue Neuron, John Krakauer, neuroscientifique à l’Université américaine de Johns Hopkins, estimait que c’était aller un peu vite en besogne de prétendre expliquer le comportement d’un cobaye à travers la compréhension du fonctionnement de son cerveau en faisant simplement des mesures électro-physiologiques de l’activité neuronale de l’organe: autrement dit, selon l’expert, il faut d’abord bien qualifier ce que l’on entend par comportement, pour ensuite le quantifier.
Les chercheurs de l’IBL s’y sont attelés, ces deux dernières années. Alexandre Pouget explique la démarche, les concepts théoriques qui la soutiennent, et les résultats de cette première phase des travaux :
- Chaque décision de la vie courante – que ce soit chez une souris ou un humain – est prise en fonction, d’une part d’un stimulus sensoriel, d’autre part des connaissances déjà acquises jusqu’alors
- Dans l’expérience avec les souris, celles-ci pouvaient s’habituer aux blocs de stimulus visuels (la tache sur l’écran) si ceux-ci étaient trop convenus ou répétitifs, et alors agir en mode «reflex»; de quoi évidemment biaiser les résultats
- Les scientifiques ont donc fait varier ces séquences de stimulations. Les souris devaient ainsi comprendre que les blocs de stimulations changeaient
- Par ailleurs, chaque souris étant un animal unique, cela complexifiait les comparaisons entre laboratoires.
Alexandre Pouget :
«Malgré ces contraintes, et la multitude des paramètres en jeu sur cette phase comportemental, nous avons pu montrer que la variabilité entre les expériences dans un laboratoire était similaire à la variabilité dans un autre laboratoire. Ce qui nous fait dire que nous pouvons tout de même croiser toutes nos mesures.»
Ces résultats comportementaux seront présentés à la mi-octobre à Chicago au congrès de la Society for Neurosciences, l’un des plus importants raouts de la branche.
Par ailleurs, pour minimiser autant que possible les différences physiologiques ou génétiques entre tous les cobayes utilisés, le chercheur explique que les descendants d’une seule lignée ont été utilisés.
Les mesures électro-physiologiques. Elles sont réalisées à l’aide d’une technologie nouvelle nommée Neuropixels, qui consiste en l’insertion très bien localisée dans le cerveau d’électrodes miniaturisées extrêmement sensibles. Dans les deux ans à venir, l’IBL ambitionne d’enregistrer l’activité d’un demi à un million de neurones différents. Le cerveau murin en comptant 70 millions (contre 70 milliards chez l’humain), «cela représentera environ 1% du total d’un cerveau. Un chiffre jamais atteint auparavant, et qui commence à devenir très intéressant et assez représentatif pour l’étude du cerveau», dit Alexandre Pouget. De quoi observer aussi comment les différentes aires cérébrales communiquent entre elles, ou à quelle vitesse l’information se propage.
Le but ultime. C’est d’établir et valider un modèle mathématique du fonctionnement cérébral de l’animal lors de la prise de décision. A l’aide des cartes d’activité qu’ils vont obtenir, les scientifiques veulent aussi tester les variables de ce modèle, par exemple justement en tirant profit du biais lié à la prédictibilité, ou non, des blocs de stimulation visuelle.
Par ailleurs, les scientifiques de l’IBL ont indiqué vouloir, avec l’aide de la Simons Foundation, mettre toutes les données acquises librement à disposition de la communauté scientifique. «Qu’un tel consortium académique agisse ainsi est une pratique bénéfique pour la science, et qui devrait se généraliser», estime Christof Koch, président de l’Allen Institute for Brain Science à Seattle, qui procède lui-même ainsi depuis sa création, en 2003.
L’avis de l’expert. En 2017 lors du lancement de l’IBL, John Donoghue, alors directeur du Centre Wyss de bio- et neuroingénierie, et grand spécialiste du fonctionnement des électrodes cérébrales, commentait:
«Lorsque le cerveau commande un mouvement, il est évidemment impossible d’enregistrer l’activité de tous les neurones en jeu. Il s’agit de faire de l’«échantillonnage intelligent». Or malgré tout, il nous semble que quelque chose nous échappe encore dans ce qui se passe concrètement dans ce processus, probablement à cause des limitations technologiques. Les chercheurs de l’IBL pourraient résoudre ce mystère, ou non. Mais ce qui est sûr, c’est qu’ils développent l’approche la plus exacte pour tenter d’y arriver et aboutir à une théorie neurale conforme [de la prise de décision]», qui pourrait ensuite être vérifiée sur des primates, voire sur des humains, avec des expériences similaires.
