Connectome

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Le connectome est un plan complet des connexions neuronales d'un cerveau.

La production et l'étude des connectomes est la connectomique. À l'échelle microscopique, elle décrit la disposition des neurones et des synapses dans tout ou partie du système nerveux d'un organisme. À l'échelle "macroscopique", elle étudie la connectivité fonctionnelle et structurelle entre toutes les aires corticales et les structures sous-corticales.

Origine, utilisations et définition du terme « connectome »

En 2005, le Dr Olaf Sporns à l'Université de l'Indiana et le Dr Patric Hagmann de l'hôpital universitaire de Lausanne ont proposé simultanément et indépendamment le terme « connectome » pour désigner le plan des connexions neuronales d'un cerveau.

Ce mot est directement inspiré de l'effort fourni pour séquencer le code génétique humain : construire un génome.

La connectomique (Hagmann, 2005) a été définie comme la science qui s'intéresse à l'assemblage et l'analyse de données de connectomes. Dans leur article de 2005, le connectome humain^{[réf. nécessaire]}, une description structurelle du cerveau humain, Sporns et ses collègues écrivent : « Pour comprendre le fonctionnement d'un réseau, on doit connaître ses éléments et ses interconnexions. Le but de cet article est de discuter des stratégies de recherche dans le but de faire une description complète de la structure d'un réseau d'éléments et de connexions qui forment le cerveau humain. Nous proposons d'appeler ces données "connectome", et nous pensons qu'il est fondamentalement important dans les neurosciences cognitives et en neuropsychologie. Le connectome augmentera considérablement notre compréhension des processus émergents fonctionnels à partir des structures cérébrales et il fournira de nouvelles idées sur les mécanismes qu'utilise le cerveau si les structures cérébrales sont endommagées. »

Connectome humain

Financé par l'Institut national de la santé des États-Unis, le Human Connectome Project (en) (« Projet du connectome humain ») cherche à produire un plan du réseau de neurones de cerveaux d'humains adultes en bonne santé.

Connectome animal

Le connectome d'espèces animales, par exemple d'insectes^[1], peut être étudié pour lui-même ou comme modèle animal. On a ainsi reconstruit toutes les connexions neuronales et synaptiques d'une espèce modèle classique, le nématode Caenorhabditis elegans^[2]^,^[3] (un ver rond). On a aussi déchiffré des connectomes partiels de la rétine^[4] et du cortex visuel primaire^[5] de la souris.

La contrôlabilité des systèmes complexes a fait l'objet d'études offrant un cadre mathématique pour explorer la nature des liens susceptibles d'exister entre structure et fonction des réseaux biologiques, sociaux et technologiques^[6]^,^[7]^,^[8]. Jusqu'en 2016, ces principes de contrôle étaient surtout connus par la théorie, mais rarement par des preuves expérimentales de leur validité. De telles preuves sont peu à peu apportées par des expériences utilisant le nématode C. elegans en observant l'effet de l'ablation au laser de certains neurones sur le comportement locomoteur de l'animal. Il devient possible de mieux associer un certain nombre de classes neuronales à certains mouvements et comportements ou fonctions^[9].

Le connectome complet — synapse par synapse — est établi pour trois organismes comportant plusieurs centaines de neurones cérébraux (le nématode C. elegans en 2013^[10], la larve de l'ascidie Ciona intestinalis en 2016^[11] et l'annélide marin Platynereis dumerilii en 2020^[12]), puis en 2023 pour la larve de la drosophile Drosophila melanogaster (3 016 neurones, 548 000 synapses)^[13].

Le connectome à différentes échelles

Un connectome optimal serait la cartographie précise des connexions de chaque neurone ce qui est techniquement très long, très coûteux et nécessite le stockage et l'utilisation d'une quantité volumineuse de données. Un cerveau humain contient au moins 10¹⁰ neurones liés par 10¹⁴ connexions synaptiques. Par comparaison, le nombre de paires de bases dans un génome humain est de 3 × 10⁹. On peut imaginer des approches à différentes échelles faites de manière parallèle.

Notes et références

↑ Eichler, K., Li, F., Litwin-Kumar, A., Park, Y., Andrade, I., Schneider-Mizell, C. M., ... & Fetter, R. D. (2017). The complete connectome of a learning and memory centre in an insect brain. Nature, 548(7666), 175 |résumé.
↑ (en) J. G. White, E. Southgate, J. N. Thomson et S. Brenner, « The Structure of the Nervous System of the Nematode Caenorhabditis elegans », Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, vol. 314, n^o 1165,‎ 1986, p. 1–340 (DOI 10.1098/rstb.1986.0056, Bibcode 1986RSPTB.314....1W)
↑ (en) L. R. Varshney, B. L. Chen, E. Paniagua, D. H. Hall et D. B. Chklovskii, « Structural Properties of the Caenorhabditis elegans Neuronal Network », PLoS Computational Biology, vol. 7, n^o 2,‎ 2011, e1001066 (PMID 21304930, PMCID 3033362, DOI 10.1371/journal.pcbi.1001066)
↑ (en) Briggman KL, Helmstaedter M, Denk W., « Wiring specificity in the direction-selectivity circuit of the retina. », Nature, vol. 471, n^o 7337,‎ 2011 mar 10, p. 183–8 (DOI 10.1038/nature09818, Bibcode 2011Natur.471..183B)
↑ Davi D. Bock et al., « Network anatomy and in vivo physiology of visual cortical neurons », Nature, vol. 471, n^o 7337,‎ 9 mars 2011, p. 177-182 (ISSN 0028-0836, PMID 21390124, DOI 10.1038/nature09802, lire en ligne, consulté le 27 mai 2012)
↑ Caldarelli, G. (2007). Scale-free networks: complex webs in nature and technology. Oxford University Press
↑ Cohen, R., & Havlin, S. (2010). Complex networks: structure, robustness and function. Cambridge university press.
↑ Liu, Y. Y., & Barabási, A. L. (2015). Control principles of complex networks. arXiv preprint. arXiv preprint arXiv:1508.05384.
↑ Gang Yan, Petra E. Vértes, Emma K. Towlson, Yee Lian Chew, Denise S. Walker + et al. (2017) Network control principles predict neuron function in the Caenorhabditis elegans connectome | Nature | Doi:10.1038/nature24056 | résumé
↑ (en) Meng Xu, Travis A. Jarrell, Yi Wang, Steven J. Cook, David H. Hall et Scott W. Emmon, « Computer Assisted Assembly of Connectomes from Electron Micrographs: Application to Caenorhabditis elegans », PLOS One, vol. 8, n^o 1,‎ 16 janvier 1013, article n^o e54050 (DOI 10.1371/journal.pone.0054050 ).
↑ (en) Kerrianne Ryan, Zhiyuan Lu et Ian A Meinertzhagen, « The CNS connectome of a tadpole larva of Ciona intestinalis (L.) highlights sidedness in the brain of a chordate sibling », eLife,‎ 6 décembre 2016 (DOI 10.7554/eLife.16962 ).
↑ (en) Csaba Verasztó, Sanja Jasek, Martin Gühmann, Réza Shahidi, Nobuo Ueda et al., « Whole-animal connectome and cell-type complement of the three-segmented Platynereis dumerilii larva », bioRxiv,‎ 21 août 2020 (DOI 10.1101/2020.08.21.260984).
↑ (en) Michael Winding, Benjamin D. Pedigo, Christopher L. Barnes, Heather G. Patsolic, Youngser Park et al., « The connectome of an insect brain », Science, vol. 379, n^o 6636,‎ 10 mars 2023 (DOI 10.1126/science.add9330).

Voir aussi

Bibliographie

Bathelt, J., Gathercole, S. E., et Astle, D. E. (2017). The role of the structural connectome in literacy and numeracy development in children.
Di Martino, A., O’Connor, D., Chen, B., Alaerts, K., Anderson, J. S., Assaf, M., ... et Blanken, L. M. (2017). Enhancing studies of the connectome in autism using the autism brain imaging data exchange II. Scientific Data, 4, 170010.
(en) Vincent Frouin, Vincent Guillemot et Cathy Philippe, The genetic architecture of the human language connectome (thèse), 15 février 2022 (lire en ligne).
Gleichgerrcht, E., Fridriksson, J., Rorden, C., et Bonilha, L. (2017). Connectome-based lesion-symptom mapping (CLSM): A novel approach to map neurological function. NeuroImage: Clinical, 16, 461-467.
Sporns, O., Tononi, G., et Kötter, R. (2005). The human connectome: a structural description of the human brain. PLoS computational biology, 1(4), e42.
Van Den Heuvel, M. P., et Sporns, O. (2011). Rich-club organization of the human connectome. Journal of Neuroscience, 31(44), 15775-15786.