Mathématiques, un outil pour connaître le cerveau

2014/06/01 Galarraga Aiestaran, Ana - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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"Je suis le résultat du fonctionnement de mon cerveau", affirme le mathématicien Pedro Larrañaga. Il travaille sur deux projets visant à connaître le cerveau et ces dernières années a changé notre façon de voir: « Au début de la bioinformatique, nous pensons que nous étions le résultat de nos gènes. Maintenant, cependant, le chercheur à l'Université Sebastian Seung Princeton, intitulé "I am my connecctome", revendique sa connectivité. Je dirais que nous sommes le résultat du fonctionnement du cerveau ».

Pour Larrañaga, le cerveau est l'organe le plus "mystérieux et complexe" du corps: "Il pèse environ 1,3 kg et a 85 milliards de neurones et il y a mille milliards de connexions entre elles". À son avis, il nous définit le fonctionnement de cette complexité.

Il ne nie pas que les gènes nous font aussi, "mais aussi les expériences que nous vivons". Il le relie à la vision bayésienne du monde: "Dans la statistique il y a deux perspectives; l'une est appelée fréquentiste et l'autre est la bayésienne. Et aujourd'hui, la vision du cerveau est imposée comme machine bayésienne. Parce que dans les statistiques, avoir une vision bayésienne signifie que lorsque vous avez un problème, non pas des parties de zéro, mais vous avez toujours des antécédents. C'est-à-dire, si a priori vous avez une connaissance qui peut être modifiée avec les données recueillies, avec les expériences vécues. Puis, a priori devenir eux a posteriori ".

Selon Larrañaga, ce cycle est vécu sans interruption. Face à un autre problème, a posteriori, ceux-ci sont a priori et peuvent également être modifiés à la suite de preuves ou d'expérience. Et cela concerne notre vision de nous-mêmes. Nous avons d'abord une information génétique, mais l'éducation et les expériences vitales font que le résultat s'adapte".

Avec cette vision Larrañaga travaille sur les deux projets qui participent à l'étude du cerveau. Cajal Blue Brain, entre l'Université Polytechnique de Madrid et l'Institut Cajal du CSIC, et Human Brain Project, au niveau européen.

Ils disent que c'est tout ce qui porte le nom

Le projet Cajal Blue Brain est dirigé par Javier de Felipe, chercheur à l'Institut Cajal du CSIC, et Larrañaga, responsable d'un module. Il s'agit d'un projet de dix ans, déjà au centre. Ils font de la science de base, c'est-à-dire ne cherchent pas des applications directes, mais connaître. « Nous faisons la neuroanatomie et nous étudions les colonnes de la peau du cerveau, l'écorce », explique Larrañaga.

Ils recueillent et analysent des informations sur tous les éléments des neurones. Il précise qu'actuellement, ils ne peuvent pas accéder à ces informations de manière massive. « Nous faisons un travail différent des Américains. Ils veulent développer la neurotechnologie et, en définitive, obtenir des outils technologiques qui permettent la collecte massive de données. Ils ont un grand intérêt en électrophysiologie, c'est-à-dire qu'ils veulent voir avec quelle probabilité les neurones de l'environnement sont activés quand un neurone particulier est activé. Par exemple, l'Institut Allen est là ».

Cependant, à Cajal Blue Brain ont pris un autre chemin. En fait, son objectif est de réaliser une classification automatique des neurones par des mesures morphologiques et ils ont déjà publié des articles à ce sujet, comme par exemple une analyse publiée l'année dernière dans la revue Nature Reviews Neuroscience, intitulée New insights into the classification and nomenclature of cortical GABE ergic interneurons.

Selon Larrañaga, un proverbe basque reflète correctement l'idée derrière : "Ils disent que c'est tout ce qui porte le nom". Le prestigieux neurobiologiste Rafael Yuste a également utilisé ce proverbe dans ses articles et conférences, "et c'est ce que nous voulons faire, nommer les neurones".

Classifications, conceptions et prévisions

Il existe deux types de neurones, pyramidaux et interneurones. Les pyramidales sont similaires les unes aux autres, les interneurones sont très variés quant à leur aspect. "C'est pourquoi il n'est pas facile que nous utilisions tous le même nom parce que nous ne les classons pas tous de la même manière". En ce sens, il considère d'un grand intérêt et utilité l'analyse publiée l'année dernière. "Nous avons créé des clusters, c'est-à-dire regroupés ceux qui ont des caractéristiques similaires, dans un même groupe, et ceux qui ont d'autres caractéristiques dans un autre groupe, et ainsi nous avons créé un système de classification".

En plus de classer les neurones, Cajal Blue Brain entend répondre à une question: le cerveau a une conception optimale ? « Selon les biologistes, le cerveau est conçu selon des normes, parmi lesquelles la longueur minimale des arbres dendritiques. Nous avons essayé de le démontrer par des techniques d'intelligence artificielle et, selon nos études, ce n'est pas tout à fait optimal. Et c'est qu'avec une machine nous avons obtenu un meilleur résultat que notre cerveau. Par conséquent, nous avons une marge d'amélioration », a déclaré Larrañaga au milieu d'une blague.

D'autre part, il a également été étudié si les synapses sont organisées aléatoirement ou selon un modèle particulier, et ont vu que l'emplacement des synapses n'est pas entièrement aléatoire, que derrière son emplacement il ya un modèle mathématique. En outre, il a été tenté de classer les types d'épines dendritiques. "Avec les épines dendritiques, nous avons fait la même chose qu'avec les clusters Internet. Nous avons étudié plus de 8.000 épines, en récupérant de leur image 50 variables ou paramètres et en procédant à leur classification automatique. Même si jusqu'à présent trois types ont été distingués, par des modèles mathématiques, nous avons distingué sept types."

Larrañaga avance que ce travail sera publié prochainement. En outre, il avertit que seuls les neurones de deux personnes ont été analysés, un de 40 ans et un autre de 85, de sorte que les résultats sont plus cohérents, ils doivent effectuer la même recherche avec plus de personnes. Cependant, les chercheurs ont vu que la distribution des prunes n'est pas la même chez ces deux personnes et croient que l'âge peut être lié à cela.

Enfin, le projet Cajal Blue Brain étudie également en neuroinformatique prédictive. Selon Larrañaga, il s'agit de vérifier s'ils sont capables de prédire le comportement électrophysiologique d'un neurone en fonction de leur apparence et caractéristiques génétiques. « Notre objectif est de voir s'il existe une relation entre l'apparence, la caractéristique génétique et le comportement électrophysiologique pour pouvoir faire des prédictions ».

Coopération internationale

Pedro Larrañaga travaille non seulement à Cajal Blue Brain, mais aussi au projet européen Human Brain Project. Le mathématicien l'a défini comme un projet "géant": "Dites-nous: L'Union européenne devait sélectionner deux projets prioritaires pour la prochaine décennie. Car l'un est le graphène et l'autre le cerveau. Elle a été annoncée en février dernier et se poursuivra jusqu'en 2022, où nous travaillons plus de 85 organisations et plus d'une centaine de laboratoires ».

Il a trois objectifs principaux. La première est de connaître le cerveau, la seconde est d'enquêter sur les maladies neurodégénératives et la troisième est de développer des ordinateurs neuromorphiques, des superordinateurs qui imitent le fonctionnement du cerveau. Le problème est que les superordinateurs ont une mauvaise efficacité énergétique par rapport au cerveau. Le troisième objectif est donc de trouver une solution ».

L'équipe de Larrañaga travaille sur son premier objectif. Il explique qu'il y a onze sous-projets dans Human Brain Project qui dirigent le cinquième, le sous-projet neuroinformatique. Il a expliqué son travail: « Notre mission est de développer des outils mathématiques et statistiques informatiques pour convertir les données que nous apportent les biologistes en modèles mathématiques ».

Ainsi, ils travaillent avec des neurones pyramidaux: "Nous recherchons des interneurones à Cajal Blue Brain et ici des neurones pyramidaux. Plus précisément, nous devons faire un modèle mathématique pour les neurones pyramidaux. Et nous sommes là ».

Dans Human Brain Project, en principe, l'idéal serait de recueillir et d'intégrer les informations obtenues par tous les groupes de travail. Cependant, Larrañaga ne pense pas qu'il soit facile, en partie parce qu'il est difficile de coordonner et d'unifier tant de recherches, mais surtout parce qu'il exige un changement culturel dans certains domaines de recherche.

Selon Larrañaga, « nous sommes habitués à publier nos données et à faire d'autres leurs recherches. Cependant, les neurobiologistes n'ont pas cette culture, ils gardent les données qu'ils obtiennent pour eux. Et c'est un grand obstacle pour avancer ». En tout cas, Human Brain Project est à ses débuts et va donner beaucoup à parler dans les années à venir.