Le sommet Human Brain Project (HBP) s'est tenu à Marseille en mars 2023. Il s'agissait du dernier sommet du projet qui s'achève en septembre, marquant les 10 ans du plus grand projet numérique de science du cerveau en Europe. Le Human Brain Project a été l'un des plus grands projets de recherche jamais soutenus par l'Union européenne.
Ce sommet a offert un forum d'échanges interdisciplinaires stimulants et de qualité dans un large éventail de domaines, des neurosciences à l'informatique, en passant par l'ingénierie, les mathématiques et la médecine. Le Human Brain Project Summit a mis en lumière les réalisations du projet Flagship.
Dans sa phase finale, d'avril 2020 à septembre 2023, le Human Brain Project se concentre sur trois domaines scientifiques principaux – les réseaux cérébraux, leur rôle dans la conscience et les réseaux de neurones artificiels – ainsi que sur l'expansion de l'infrastructure innovante EBRAINS et de ses outils et services.
Le calcul haute performance au service de la recherche
Le sommet s'est également penché sur l'avenir de l'infrastructure EBRAINS et de la recherche sur le cerveau numérique, et a discuté d'une vision scientifique pour la prochaine décennie de recherche sur le cerveau numérique, qui contribuera à la préparation d'un partenariat européen émergent pour la santé du cerveau.
INfrastructureS Européennes de Recherche sur le Cerveau (EBRAINS)
Description
EBRAINS est une Infrastructure Numérique distribuée à l'interface des neurosciences, de l'informatique et de la technologie. Il s'agit d'un “guichet unique” offrant aux scientifiques et aux développeurs de technologies les outils et services les plus avancés pour la recherche sur le cerveau, y compris les services de données FAIR, l'atlas du cerveau de nouvelle génération, les plateformes de simulation et l'analyse basée sur l'IA des méga-données. EBRAINS catalyse les nouvelles découvertes scientifiques et les technologies et l'informatique innovantes inspirées du cerveau pour aider à mieux comprendre le cerveau humain.
Entré dans la feuille de route ESFRI en 2021, EBRAINS est un résultat majeur du Human Brain Project EU FET Flagship et fournira le noyau de coordination de la structure post-FET. Il est alimenté par l’Infrastructure en tant que service (IaaS) du réseau Federated Exascale pour l'intégration et l'échange de données (Fenix), lui-même un modèle pour d'autres communautés de recherche. Depuis 2019, EBRAINS est une Association internationale sans but lucratif de droit belge (AISBL), dont les membres représentent actuellement sept pays européens.
EBRAINS est un accélérateur des ambitions européennes dans la recherche pluridisciplinaire sur le cerveau, alliant neurosciences de pointe, calcul haute performance et intelligence artificielle. Il offre aux chercheurs une vaste gamme de données cérébrales et un environnement de recherche numérique qui relie de nombreux laboratoires, centres de calcul intensif, cliniques et centres technologiques parmi les plus avancés d'Europe dans un système intégré unique.
Comment les scientifiques utilisent EBRAINS
À l'aide de technologies de balayage du cerveau, les scientifiques peuvent créer des cartes montrant le câblage du cerveau, composé de fibres de matière blanche qui relient différentes parcelles de la matière grise du cerveau. Les parcelles les plus connectées, ou hubs, sont indiquées par des points bleus et blancs.
Cartographier le cerveau humain est un objectif noble, mais plutôt mal défini. C'est comme faire une carte des États-Unis. Vous pourriez simplement montrer les frontières politiques et les emplacements des villes. Ou vous pouvez représenter des caractéristiques géographiques comme des montagnes et des rivières. Ou les voies de transport, comme les autoroutes et les voies ferrées. Vous pourriez même aller sur Google Maps jusqu'au bout et montrer l'emplacement de chaque maison individuelle.
Le projet Connectome humain
Une décennie de réussite
Depuis sa création en 2013, le HBP a apporté des avancées scientifiques impressionnantes aux neurosciences. Par exemple, il a livré l'atlas le plus détaillé à ce jour du cerveau humain, contribué à mesurer la conscience elle-même, avancé la connaissance des mécanismes neuronaux sous-jacents à la vision ainsi qu'à la mémoire, amélioré la chirurgie de l'épilepsie avec des modèles cérébraux numériques, développé un implant cérébral pour aider les aveugles à voir, ainsi que des technologies neuro-dérivées développées pour rendre les machines plus intelligentes.
L'un des principaux résultats du Human Brain Project est la capacité d'adapter et de personnaliser les modèles cérébraux. Le pouvoir prédictif de ces modèles a progressivement augmenté et peut être d'un avantage majeur dans la découverte de biomarqueurs précoces pour des maladies telles que la maladie d'Alzheimer.
L'étude du Human Brain Project offre un aperçu de l'organisation des récepteurs des neurotransmetteurs
Les chercheurs du Human Brain Project et des institutions collaboratrices ont fait des progrès significatifs dans la compréhension de la distribution des récepteurs dans le cerveau. Ils ont mené une étude cartographique complète, publiée dans Nature Neuroscience en juin 2023.
Les récepteurs sont des molécules vitales impliquées dans la transmission des signaux dans le cerveau. Alors que la transmission d'informations dans un neurone se fait par des signaux électriques le long de l'axone, la communication entre les neurones nécessite souvent la libération de molécules de neurotransmetteurs dans l'espace extra-cellulaire, où elles se lient aux récepteurs du neurone cible.
Les chercheurs du HBP ont utilisé l'autoradiographie pour examiner la densité des récepteurs de neurotransmetteurs sur de fines coupes de cerveau in vitro. Ils ont analysé la densité de 14 types différents de récepteurs de neurotransmetteurs dans 109 zones du cortex du macaque. Ces données ont ensuite été intégrées à divers paramètres structurels dans des modèles de neuro-imagerie.
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| Une nouvelle cartographie des récepteurs corticaux révèle une association entre l'organisation micro-structurale et les systèmes fonctionnels du cerveau |
L'équipe de recherche a découvert deux gradients distincts d'expression des récepteurs par neurone, ce qui leur a permis de cartographier les densités de récepteurs à travers le cortex. Cette percée a mis en lumière la relation entre l'organisation moléculaire et neuronale du cortex. Les deux principaux axes de l'organisation des récepteurs se sont avérés s'aligner sur deux systèmes fonctionnels différents : les réseaux cognitifs sensoriels et les cognitifs externes-internes. Cette association inédite n'avait jamais été décrite auparavant.
Pour approfondir leur enquête, les chercheurs ont intégré les données nouvellement acquises sur les récepteurs de neurotransmetteurs à plusieurs couches d'informations anatomiques et fonctionnelles, créant un espace cortical commun dans la surface corticale de Yerkes19, un modèle de primate non humain fréquemment utilisé.
Les efforts des chercheurs pour cartographier la distribution des récepteurs dans le cerveau ont fourni des informations précieuses sur l'organisation et la fonctionnalité du cortex. Cette avancée dans la compréhension du paysage des récepteurs du cerveau pourrait ouvrir la voie à de nouvelles recherches et au développement de modèles informatiques plus précis, approfondissant finalement notre compréhension de l'adaptabilité et du fonctionnement du cerveau dans un monde en mutation.
Améliorer le taux de réussite chirurgicale des patients épileptiques
Les chercheurs simulent une version numérique du cerveau de chaque patient à l'aide de The Virtual Brain – un outil de calcul disponible sur EBRAINS – qui peut ensuite refléter la propagation de l'activité épileptique dans le cerveau d'un patient. Cette connaissance permet ensuite aux neurochirurgiens de cibler plus précisément les zones épileptogènes lors de la chirurgie.
Enseigner la vision et le toucher aux robots
Sur la nouvelle infrastructure de recherche EBRAINS, des neuroscientifiques cognitifs, des modélisateurs informatiques et des roboticiens travaillent désormais ensemble pour apporter un nouvel éclairage sur les mécanismes neuronaux sous-jacents, en créant des robots dont le fonctionnement interne imite le cerveau.
Pour accélérer ces recherches, le robot a été recréé en simulation sur la Plateforme Neuro-robotique de l'infrastructure de recherche EBRAINS. Tous les outils de code et d'analyse des travaux sont ouverts sur EBRAINS, afin que les chercheurs puissent mener leurs propres expériences.
Complexité cérébrale et conscience
Si la physique explique tous les phénomènes de l'univers, et si la conscience fait partie de l'univers, alors il semble que la physique puisse expliquer la conscience. Nous avons besoin de mieux comprendre comment le cerveau crée des modèles : du monde, d'un moi dans le monde et d'un moi expérimentant subjectivement le monde.
Perception d'objet et mémoire
La compréhension de la scène, contrairement à la reconnaissance des objets, tente d'analyser les objets dans leur contexte en ce qui concerne la structure 3D de la scène, sa disposition et les relations spatiales, fonctionnelles et sémantiques entre les objets. Les recherches dans ce domaine combinent la détection/reconnaissance d'objets avec la reconstruction 3D et le raisonnement spatial. Les scientifiques pensent que l'analyse intégrée des caractéristiques d'image de bas niveau, associée à des modèles d'objets sémantiques et 3D de haut niveau, permettra une solide compréhension de la scène dans des environnements complexes et ambigus et fournira la base d'un raisonnement plus approfondi.
Neuroprothèse visuelle intégrale Neurolight
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Environnement matériel/logiciel pour l'expérimentation de neuroprothèses visuelles |
La recherche a abouti aux premiers implants cérébraux intra-corticaux testés chez des personnes aveugles. Une rétine artificielle encode les schémas visuels des images capturées par les lunettes de caméra et les envoie sous forme de signaux neuronaux au cerveau via une prothèse implantée dans le cortex visuel, générant des perceptions visuelles utiles, telles que des formes et des lettres, chez les personnes aveugles.
L'objectif est d'aider les personnes aveugles à retrouver, même partiellement, leur vision fonctionnelle grâce à des implants cérébraux. Il en résulte que la rétine artificielle est capable de prédire le niveau d'activation des neurones ganglionnaires d'une rétine biologique lors de la perception d'images. Ce niveau d'activation neuronale est transformé en paramètres de stimulation électrique pour l'électrode implantée dans le cerveau.
Prochaines étapes
S'appuyant sur les succès du projet sur le cerveau humain, la Commission travaille actuellement avec les États membres sur une initiative plus large. Notamment, les États membres ont demandé davantage de collaborations et de coordination pour la recherche sur la santé cérébrale par le biais d'un partenariat stratégique qui renforcerait certainement la position de l'Europe sur la scène mondiale de la recherche sur le cerveau. Digital Brain Research jouera un rôle important dans le cadre d'un tel partenariat.
La prochaine décennie de recherche sur le cerveau numérique – Une vision des neurosciences à l'intersection de la technologie et de l'informatique
Cette nouvelle science du cerveau intègre une recherche fondamentale de haute qualité, une intégration systématique des données à plusieurs échelles, une nouvelle culture de collaboration à grande échelle et une traduction en applications. Une approche systématique, à l'instar du projet européen sur le cerveau humain, sera essentielle pour relever les défis médicaux et technologiques urgents de la prochaine décennie.
Les travaux ont été lancés par le Conseil des sciences et de l'infrastructure du Human Brain Project. Le manuscrit est un document vivant qui est développé plus avant dans un processus participatif. Désormais, toute la communauté de la recherche est invitée à contribuer à façonner la vision en soumettant des commentaires.
Les objectifs de ce document sont
* En discuter avec l'ensemble de la communauté de la recherche, dans le but d'identifier des points de convergence et des objectifs communs.
* Fournir un cadre scientifique pour le développement actuel et futur d'EBRAINS.
* Informer et engager les parties prenantes, les organismes de financement et les instituts de recherche concernant les futures recherches sur le cerveau numérique.
* Identifier et traiter les principaux enjeux éthiques et sociétaux.
Bien que l'équipe ne prétende pas qu'il existe une approche "taille unique" pour aborder ces aspects, elle est convaincue que les discussions autour du thème de la recherche sur le cerveau numérique contribueront à faire progresser le domaine plus large des neurosciences.
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