Encéphale : télencéphale
Fibres de substance blanche
Méthodes d'étude

Vue d'ensemble de la connectivité cérébrale

Les cellules cérébrales communiquent entre elles via des connections synaptiques locales et à longue portée.

1. La connectivité à l’échelle du cerveau peut être décrite à plusieurs niveaux (From Cajal to Connectome and Beyond 2016).

a. Les connectomes à l'échelle microscopique s'appuient souvent sur la microscopie électronique (EM) pour fournir les preuves les plus claires sur la présence et l'emplacement des synapses, i.e. connections entre les neurones individuels.

b. Les connectomes à l'échelle mésoscopique décrivent les connexions inter-aires qui peuvent être déduites à partir de faisceaux de fibres à l'aide de techniques telles que l'IRM de diffusion (DTI).

Le connectome méso-échelle décrit les connexions au niveau cellulaire, entre les types neuronaux dans différentes régions du cerveau.

c. Les connectomes à l’échelle macroscopique utilise aussi l'IRM par diffusion (dRMI ou DTI) qui est particulièrement utile pour les cerveaux humains vivants, où des approches plus invasives ne peuvent pas être appliquées (A multi-modal parcellation of human cerebral cortex 2016).

2. Les connectomes à méso-échelle peuvent être construits à l’aide de diverses approches de traçage anatomique à l’échelle du cerveau (Mesoscale Connectomics 2018).

• Les connexions basées sur le type de cellule peuvent se prêter à un sondage fonctionnel en utilisant les mêmes stratégies génétiques de ciblage du type de cellule qui pilotent la surveillance fonctionnelle ou les outils de manipulation.
• Les connectomes à méso-échelle relient également les informations collectées aux niveaux connectomiques à l’échelle macro ou micro.

Traceurs traditionnels

1. Historiquement, les traceurs des circuits peuvent être constitués (The Emergence of Modern Neuroanatomy and Developmental Neurobiology 1998) :

• de composés chimiques, de glycoprotéines, d'acides aminés radiomarqués,
• de billes conjuguées par fluorescence qui peuvent être transportées le long des fibres axonales.

a. Les traceurs antérogrades, qui se déplacent principalement du soma aux extrémités des axones, couramment utilisés sont :

• le BDA (Biotinylated Dextran Amine),
• le FR ou Fluoro-Ruby (Fluoro-Ruby as a reliable marker for regenerating fiber tracts 2017),
• le PHA-L ou Phaseolus vulgaris-leucoagglutinin (Application of PHA-L 2010)

b. Les traceurs rétrogrades, qui se propagent principalement depuis les terminaisons axonales d'un neurone vers son soma et/ou ses dendrites, couramment utilisés sont

• le CTB ou Cholera Toxin B fragment (The efficacy of the fluorescent conjugates of cholera toxin subunit B for multiple retrograde tract tracing in the central nervous system 2009),
• le FG (Fluoro-gold),
• les rétrobilles, i.e. retrobeads (On the use of retrograde tracers foridentification of axon collaterals wiyh multiple fluorescent rétrograde tracers 2007).

c. WGA (Wheat Germ Agglutinin), i.e. l'agglutinine de germe de blé est un traceur trans-synaptique qui peut être génétiquement ciblé et peut traverser les synapses dans les directions rétrograde et antérograde.

2. Bien qu'ils ne soient pas sélectifs pour les types neuronaux, ces traceurs traditionnels sont encore largement utilisés dans les études de circuits souvent en conjonction avec l'utilisation d'une nouvelle génération de traceurs à base de virus recombinants qui se prêtent mieux au ciblage spécifique d'un type de cellule dans des modèles génétiques comme la souris.

Traceurs viraux

1. Un grand nombre de virus neurotropes ont été modifiés pour prendre en charge un large éventail d’applications en neurosciences, notamment la cartographie de la connectivité neuroanatomique.

• Dans la nature, ces virus neurotropes ont évolué pour transmettre leur matériel génétique entre des neurones synaptiquement connectés tout en échappant largement aux cellules gliales et au système immunitaire.
• Même si ces caractéristiques font de certains de ces virus une menace pour la santé humaine, de simples modifications permettent de les utiliser dans des contextes expérimentaux contrôlés, permettant ainsi aux neuroanatomistes de retracer les connexions multi-synaptiques au sein et entre les régions du cerveau.

a. Les virus neurotropes de type sauvage ont déjà grandement contribué à notre compréhension de la connectivité cérébrale, comme :

• le virus de la rage (Long-term labeling and imaging of synaptically connected neuronal networks in vivo using double-deletion-mutant rabies viruses 2024),
• le virus de l'herpès (Anterograde Neuronal Circuit Tracers Derived from Herpes Simplex Virus 1: Development, Application, and Perspectives 2020),

b. Les techniques moléculaires modernes ont permis la construction de formes recombinantes d'autres virus.

2. Ces réactifs nouvellement conçus sont particulièrement utiles, car ils peuvent :

• cibler des populations de neurones génétiquement définies,
• diffuser dans une seule synapse vers les entrées ou les sorties,
• apporter des instructions par lesquelles les neurones ciblés peuvent être amenés à exprimer des protéines exogènes, telles que des capteurs de calcium ou des canaux ioniques sensibles à la lumière.

3. Les outils viraux antérogrades, rétrogrades et trans-synaptiques peuvent être combinés, et parfois couplée à des lignées transgéniques, pour permettre des approches de cartographie de circuits encore plus sophistiquées (Communication in Neural Circuits: Tools, Opportunities, and Challenges 2017).

Par exemple, la méthode TRIO, i.e. Tracing the Relationship between Input and Output, permet le traçage des entrées trans-synaptiques à partir de sous-ensembles spécifiques. de neurones en fonction de leur projection et/ou de leur type cellulaire (Viral-genetic tracing of the input–output organization of a central norepinephrine circuit 2015et Different Modes of Visual Integration in the Lateral Geniculate Nucleus Revealed by Single-Cell-Initiated Transsynaptic Tracing 2017).

4. La combinaison du traçage avec l’imagerie fonctionnelle in vivo, par exemple, imagerie calcique à grand champ, à un ou deux photons (STP), photométrie par fibre ou IRMf, permet de cartographier la dynamique des circuits chez les animaux qui effectuent un comportement.

Différents projets de connectivité à méso-échelle

1. Plusieurs projets ont généré des connectomes à méso-échelle (mesoscale) principalement de souris :

• mesoscale connectome of the mouse brain (2014),
• l'Allen Brain Atlas (The Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework: A 3D Reference Atlas 2020).

Remarque : l'Allen Brain Atlas étudie aussi la connectivité cérébrale de l'homme.

Cependant, les projections globales des amas de neurones ne peuvent pas fournir les projections détaillées des neurones individuels en raison de d'un grand nombre de neurones différents au sein des structures complexes.

2. Ces dernières années, avec le développement de méthodes d'étiquetage clairsemés (sparse labeling methods) et l'imagerie de précision à l'échelle du cerveau (brain-wide precision imaging), la recherche s'est concentrée sur les neurones individuels (A platform for brain-wide imaging and reconstruction of individual neurons 2016) :

• les neurones corticaux (Single-axon level morphological analysis of corticofugal projection neurons in mouse barrel field 2017),
• les neurones cholinergiques (Generation of a whole-brain atlas for the cholinergic system and mesoscopic projectome analysis of basal forebrain cholinergic neurons 2018),
• les neurones dopaminergiques (Cell-type-specific and projection-specific brain- wide reconstruction of single neurons 2018),
• les neurones sérotoninergiques (Single-cell transcriptomes and whole-brain projections of serotonin neurons in the mouse dorsal and median raphe nuclei 2019),
• les neurones striataux, thalamiques, corticaux et claustraux (Brain-wide single neuron reconstruction reveals morphological diversity in molecularly defined striatal, thalamic, cortical and claustral neuron types 2020).

Ces résultats démontrent qu'une population de neurones dans une zone du cerveau présente souvent de multiples modèles de projection axonale au niveau unicellulaire, ce qui suggère une organisation de circuit plus précise sous-jacente aux rôles fonctionnels d'une population de neurones donnée.

IRM de diffusion (dRMI ou DTI)

Chez les primates non humains, et en particulier chez le macaque, l'architecture du cerveau et la connectivité structurelle a été bien étudiée (A Weighted and Directed Interareal Connectivity Matrix for Macaque Cerebral Cortex 2014).

1. Chez l'homme, leur connaissance est principalement basée sur l'IRM de diffusion (Diffusion MRI fiber tractography of the brain 2017).

a. L'IRM de diffusion (DTI ou diffusion tensor imaging) est une technique basée sur l'imagerie par résonance magnétique (IRM), qui permet de calculer en chaque point de l'image la distribution des directions de diffusion des molécules d'eau.

Les calculs mathématiques sont étudiés dans : Diffusion MRI.

b. Cette diffusion étant contrainte par les tissus environnants, cette modalité d'imagerie permet d'obtenir indirectement la position, l’orientation et l’anisotropie des structures fibreuses, notamment les faisceaux de matière blanche du cerveau.

c. Bien que cette méthodologie ait tenu la promesse de révéler de manière non invasive la connectivité structurelle et les structures de matière blanche du cerveau humain à un niveau de détail comparable à des études invasives et ex vivo, elle est toujours affectée par des biais, des faux positifs et des idées fausses méthodologiques courantes dans la communauté de recherche elle-même (The challenge of mapping the human connectome based on diffusion tractography 2017).

En dépit de ces limitations, il a également permis aux chercheurs de sonder la connectivité structurelle de grandes populations avec une variété d'algorithmes pour étudier un ensemble croissant de mesures liées aux grands faisceaux de matière blanche, aux propriétés tissulaires locales et à la microstructure des tissus.

2. En outre, la combinaison de la dRMI avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permet aux chercheurs d'étudier la connectivité structurelle des regions spécifiues (seeds) fonctionnellement définies et sa relation avec la connectivité fonctionnelle, sur la base de l'idée que la connectivité fonctionnelle réside dans la connectivité structurelle.

Bien que cette relation soit difficile à établir en raison de limitations méthodologiques inhérentes et qu'elle soit certainement encore controversée, certaines études qui ont combiné ces méthodes ont montré des résultats remarquables dans la façon dont la connectivité structurelle peut être utilisée pour prédire les activations de tâche et d'IRMf dans plusieurs modules cérébraux spécialisés (Structural Connectivity Fingerprints Predict Cortical Selectivity for Multiple Visual Categories across Cortex 2016).

Retour aux fibres blanches

La substance blanche du cortex renferme trois principales voies nerveuses :

• les fibres d'association qui font communiquer les différentes aires corticales entre elles.
• les fibres de projection qui établissent une communication entre le cortex cérébral et les centres sous-corticaux dans le sens ascendant ou descendant.
• les fibres commissurales qui unissent les cortex des deux hémisphères, i.e. fibres d'association interhémisphériques.