Cartographie des synapses pour des traitements médicamenteux personnalisés réalise une percée

Il y a jusqu’à 86 milliards de neurones dans le cerveau humain. Ils forment des billions de connexions synaptiques, chaque neurone se connectant à d’autres neurones pour créer un réseau complexe. 

C’est grâce à la signalisation synaptique que les neurones communiquent entre eux aux synapses, qui sont des jonctions où les neurones peuvent exciter ou inhiber d’autres neurones. 

Une connexion synaptique, quant à elle, est la jonction entre les neurones où ils communiquent entre eux à l’aide de signaux électriques et chimiques. La cartographie des connexions synaptiques est un processus d’identification de la façon dont les neurones sont connectés les uns aux autres et à quel point ces connexions sont fortes. La structure de ces connexions est supposée déterminer la fonction cérébrale, rendant ce processus extrêmement important. 

Cependant, la cartographie et la caractérisation des connexions synaptiques restent un défi ouvert. Actuellement, nous sommes limités à la cartographie de seulement quelques centaines de connexions synaptiques. Cependant, la dernière étude des chercheurs de Harvard l’a étendue à plus de 70 000 avec précision, constituant une avancée majeure dans le domaine des neurosciences, en particulier l’enregistrement neuronal. 

La cartographie et le catalogage à cette échelle ont été réalisés à partir d’environ 2 000 neurones de rat grâce à une puce en silicium dotée d’électrodes à microtrous capables de détecter simultanément de petits mais notables signaux synaptiques. 

Une telle avancée peut nous aider à créer une carte détaillée des connexions synaptiques et nous permettre de mieux comprendre comment les neurones se connectent et communiquent. 

L’étude intitulée “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” a été publié¹ dans Nature Biomedical Engineering ce mois-ci.

La parallélisation de l’enregistrement intracellulaire neuronal à grande échelle, selon l’étude, est un grand défi qui doit être surmonté car elle permet de mesurer les signaux synaptiques à travers un réseau neuronal, ce qui à son tour permet la cartographie ainsi que la caractérisation des connexions synaptiques.

Augmenter l’enregistrement neuronal grâce à une innovation avancée de puces

Pour la visualisation des structures synaptiques, la microscopie électronique (ME) s’est avérée très efficace, mais elle ne peut pas mesurer la force des connexions neuronales. Cela limite la capacité de la technique à expliquer la fonctionnalité des réseaux neuronaux.

C’est là que l’enregistrement patch-clamp intervient, offrant une technique plus précise pour étudier l’activité synaptique car elle peut percer les neurones individuels et capturer même les signaux faibles avec une grande sensibilité.

Les scientifiques Erwin Neher et Bert Sakmann ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1991 pour la technique patch-clamp. Le dispositif de mesure expérimental a prouvé l’existence et la fonction des canaux ioniques dans la réalisation de tâches importantes dans les cellules vivantes comme la contraction musculaire et la transmission des impulsions nerveuses. La technique a également permis de définir avec une grande précision les caractéristiques clés des canaux. 

Bien que cette méthode puisse aider les chercheurs à identifier et mesurer la force des connexions, les scientifiques ont eu du mal à enregistrer des signaux intracellulaires provenant de plus de quelques neurones à la fois jusqu’à présent.

Dirigée par la co-auteure principale Donhee Ham, professeure d’ingénierie et de sciences appliquées à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), les chercheurs de ce département, ainsi que du département de chimie et de biologie chimique de Harvard, ont construit une puce avancée.

Plus précisément, l’équipe a construit une matrice de 4 096 électrodes à microtrous sur une puce. Cet appareil a réalisé l’enregistrement intracellulaire massivement parallèle d’environ 2 000 neurones de rat. 

Cela a fourni aux chercheurs une abondance de données sur les signaux synaptiques, à partir desquelles ils ont extrait plus de 70 000 connexions synaptiques.

Le travail s’appuie en fait sur le dispositif révolutionnaire que l’équipe a développé il y a quelques années. À l’époque, une matrice de 4 096 électrodes nan-aiguilles verticales dépassait d’une puce en silicium du même design de circuit intégré. 

La puce électronique présentait une matrice dense d’électrodes nanométriques verticales, revêtues de poudre de platine (pour améliorer la capacité de transmission du signal) sur sa surface.

Sur cet appareil, un neurone pouvait s’enrouler autour d’une aiguille pour permettre l’enregistrement intracellulaire, parallélisé grâce à un grand nombre d’électrodes. À l’époque, l’équipe a pu enregistrer plus de 1 700 neurones de rat et cartographier plus de 300 connexions synaptiques.

Les chiffres obtenus étaient records, mais l’équipe estimait pouvoir les améliorer davantage, d’où la dernière étude.

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Révolutionner l’enregistrement intracellulaire pour la cartographie de la connectivité

Soutenu par le Samsung Advanced Institute of Technology de Samsung Electronics, l’équipe a conçu et fabriqué la matrice d’électrodes à microtrous en platine/platine-noir sur la puce à semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS). 

La matrice a été utilisée pour ouvrir doucement les cellules en injectant de petits courants à travers les électrodes afin de paralléliser leur enregistrement intracellulaire.

L’électronique intégrée dans la puce en silicium, selon le co-auteur principal de l’étude et ancien chercheur postdoctoral Woo-Bin Jung, actuellement membre du corps professoral à l’Université des sciences et technologies de Pohang en Corée du Sud, « joue un rôle tout aussi important que l’électrode à microtrou, en fournissant des courants doux de manière élaborée pour obtenir un accès intracellulaire, tout en enregistrant simultanément les signaux intracellulaires. »

Le design à microtrou utilisé ici, quant à lui, est similaire à l’électrode patch-clamp. Ces électrodes à microtrou offrent deux avantages principaux :

1. Elles sont beaucoup plus faciles à fabriquer
2. Elles se couplent aux intérieurs des neurones mieux que les électrodes nan-aiguilles verticales que l’équipe utilisait auparavant

“Cette accessibilité est une autre caractéristique importante de notre travail.”

– Jun Wang, chercheur postdoctoral et co-auteur principal 

Avec ce nouveau design, l’équipe a pu obtenir d’excellents résultats. En moyenne, 90 % des électrodes à microtrou (plus de 3 600 sur 4 096) ont été intégrées intracellulairement, ce qui a aidé l’équipe à extraire 70 000 connexions synaptiques plausibles, bien plus que les 300 obtenues avec la matrice d’électrodes nan-aiguilles.

L’équipe n’a pas seulement obtenu des résultats quantitatifs mais a également atteint une qualité dans leurs données d’enregistrement, ce qui leur a permis de classer les connexions synaptiques selon leurs forces et caractéristiques.

Les connexions synaptiques ont été cataloguées en connexions synaptiques électriques et en excitatrices fortes/éventuelles, excitatrices faibles/peu événementielles, et inhibitrices chimiques, avec un taux d’erreur global estimé à 5 %.

Selon l’étude, la cartographie de la connectivité synaptique à un tel niveau d’ampleur, ainsi que la capacité à identifier les connexions synaptiques, constitue un grand pas vers la cartographie de la connectivité fonctionnelle des réseaux neuronaux à grande échelle.

Dans leur version précédente, les chercheurs ont utilisé la puce haute performance pour calculer les effets des médicaments sur les connexions synaptiques. À l’époque, l’équipe a déclaré qu’elle construisait un système à l’échelle du wafer pour tester des médicaments contre des troubles neurologiques tels que la dépendance, l’autisme, la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et la schizophrénie.

La cartographie du réseau synaptique biologique peut également offrir une nouvelle stratégie pour l’intelligence artificielle afin de construire les réseaux neuronaux artificiels de prochaine génération et les processeurs neuromorphiques.

Maintenant que l’équipe a acquis des connaissances sur les connexions synaptiques grâce à la quantité massive de données obtenues par l’enregistrement intracellulaire parallèle, ils « travaillent sur un nouveau design qui pourrait être déployé dans un cerveau vivant. »

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Avancées en cartographie cérébrale et neurotechnologie

Des études comme celles-ci sont cruciales pour approfondir notre compréhension des connexions synaptiques complexes du cerveau, révélant non seulement la complexité des interactions neuronales mais aussi fournissant une base pour la recherche avancée en cartographie cérébrale, l’une des nombreuses avancées passionnantes qui façonnent l’avenir de la recherche cérébrale.

Le cerveau, après tout, est une structure intéressante mais complexe, ce qui en fait un domaine d’intérêt croissant parmi les chercheurs et les institutions. Curieusement, plus nous étudions et apprenons à connaître nos cerveaux, plus ils deviennent complexes. Comme l’a souligné Jeff Lichtman, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à Harvard, le simple fait de décrire la nature a révélé :

“[Que le cerveau est] plus compliqué que nous le pensions.”

Depuis plus d’une décennie, Lichtman accède à une zone spécifique (un millimètre cube) du cortex cérébral afin de créer une carte détaillée des connexions dans le cerveau humain. Fin de l’année dernière, Harvard Magazine a rapporté leur analyse révélant que les cellules gliales qui soutiennent et protègent les neurones les dominent à raison de 2 pour 1. Cependant, aucune explication à ce phénomène n’a encore été trouvée.

Lui et ses collègues ont également observé quelques connexions très fortes avec de nombreuses synapses pour chaque cellule afin de permettre à l’information de circuler très rapidement dans le cerveau, ce qui, selon eux, « peut-être… ce que sont les souvenirs. »

Pour cela, ils ont utilisé du tissu provenant du lobe temporal d’une femme et l’ont découpé en plus de 5 000 sections, chacune étant scannée avec un microscope électronique multibeam spécialement conçu, à très haute résolution. 

Les chercheurs de Google ont ensuite développé de nouvelles méthodes de réseaux neuronaux pour identifier les éléments dans chacune de ces tranches et les ont combinées afin de créer un espace 3D. L’échantillon de taille semence qu’ils ont imagé contenait 57 000 cellules, 230 mm de vaisseaux sanguins et 150 millions de synapses.

Lichtman vise ensuite à cartographier le cerveau entier d’une souris, car cela n’est pas encore possible avec le cerveau humain. Entre-temps, une équipe de scientifiques de Princeton a a cartographié le cerveau d’une mouche drosophile adulte.

Auparavant, les chercheurs ont cartographié le cerveau d’une mouche drosophile larvaire avec 3 000 neurones, mais la mouche adulte possède près de 140 000 neurones et des dizaines de millions de synapses les reliant. La carte a été construite à l’aide de 21 millions d’images du cerveau de la mouche et d’un modèle d’IA. Grâce à ce plan, les chercheurs visent à fournir des réponses sur quels neurones sont responsables de quels comportements.

Le cerveau humain, comme l’a déclaré John Ngai, directeur de l’initiative BRAIN des National Institutes of Health des États‑Unis, « est plus puissant que tout ordinateur fabriqué par l’homme », à bien des égards, « mais dans l’ensemble, nous ne comprenons toujours pas sa logique sous‑jacente. »

Et si nous n’avons pas « une compréhension détaillée de la façon dont les neurones se connectent les uns aux autres, nous n’aurons pas une compréhension de base de ce qui fonctionne dans un cerveau sain ou ce qui dysfonctionne dans la maladie. »

C’est pourquoi il y a un intérêt croissant pour tenter de cartographier nos cerveaux. Des scientifiques du Research Institute du McGill University Health Centre ont effectivement mis en œuvre une méthode appelée “optomapping” ce mois-ci pour accélérer de façon spectaculaire l’étude des neurones.

 L’équipe a déjà testé plus de 30 000 connexions candidates et caractérisé environ 1 800 synapses dans le cortex visuel du cerveau de souris. 

Les découvertes clés réalisées grâce à l’optomapping incluent des schémas de connexion uniques vers différents types de neurones inhibiteurs, ce qui remet en question ce que nous savions sur le processus de flux d’information dans les couches corticales du cerveau. Ils ont également démontré l’équilibre délicat des schémas de communication du cerveau, certaines connexions amplifiant les signaux et d’autres les atténuant. 

De plus, ils ont observé un déséquilibre dans la façon dont différents types de neurones sont activés, ce qui peut aider dans des conditions comme l’autisme et l’épilepsie. En identifiant ces changements, l’Optomapping pourrait conduire à des traitements plus ciblés et efficaces.

Curieusement, ce mois-ci, le géant technologique Meta Platforms (META ) a annoncé qu’il avait développé un dispositif permettant aux personnes de produire du texte simplement par la pensée. Pour cela, un scanner cérébral et un modèle d’IA appelé Brain2Qwerty ont été utilisés pour décoder le langage du cerveau sans chirurgie.

Cependant, les chances que le produit devienne commercial sont très faibles en raison de plusieurs contraintes. Par exemple, le scanner de magnétoencéphalographie utilisé pour détecter les signaux magnétiques est extrêmement volumineux, pesant environ une demi-tonne, et coûteux, à 2 millions de dollars. Il ne fonctionne également que dans une salle blindée pour atténuer le champ magnétique terrestre.

Mais cela peut certainement aider à faire progresser notre compréhension du cerveau humain et de la communication.

“Essayer de comprendre l’architecture précise ou les principes du cerveau humain pourrait être un moyen d’informer le développement de l’intelligence artificielle. C’est la voie.”

– Jean-Rémi King, responsable de l’équipe Brain & AI de Meta, a déclaré à Tech Review. 

Les résultats montrent que le système peut détecter les touches qu’un dactylographe « qualifié » frapperait avec une précision pouvant atteindre 80 %. Bien que non parfait, les chercheurs ont déclaré que c’est suffisamment précis pour construire des phrases complètes à partir des signaux cérébraux.

Ces développements provenant d’une entreprise dont la capitalisation boursière s’élève à 1,76 billion de dollars, principalement active dans les médias sociaux et l’IA, peuvent surprendre certains, mais Meta s’implique dans la recherche en neurotechnologie depuis de nombreuses années.

De plus, contrairement aux entreprises purement axées sur la neurotechnologie, Meta est rentable, ce qui signifie qu’elle peut investir dans la recherche connexe sans se soucier des ressources.

Pour contexte, l’entreprise a récemment publié ses résultats du quatrième trimestre, montrant une hausse de 21 % d’une année sur l’autre du chiffre d’affaires à 48,39 milliards de dollars. Après tout, en moyenne 3,35 milliards d’utilisateurs actifs quotidiens (DAP) utilisent ses produits. Au cours de cette période, Meta a enregistré 25,02 milliards de dollars de coûts et dépenses et 14,84 milliards de dépenses d’investissement, tandis que son flux de trésorerie disponible était de 13,15 milliards de dollars, et la trésorerie, les équivalents de trésorerie et les titres négociables s’élevaient à 77,81 milliards de dollars. Elle a également annoncé un investissement d’environ 60 à 65 milliards de dollars dans l’IA cette année.

Entreprises faisant progresser ce domaine

Examinons maintenant les entreprises cotées en bourse les plus en vue qui réalisent des avancées significatives dans le domaine.

1. Neuronetics, Inc.

Cette entreprise de technologie médicale développe des produits pour les patients souffrant de troubles neuro-santé. Son système NeuroStar Advanced Therapy est un traitement non invasif qui utilise la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) pour stimuler les zones du cerveau associées à l’humeur. Il est utilisé pour traiter les patients adultes atteints de trouble dépressif majeur (TDM). 

Avec une capitalisation boursière de 267 millions de dollars, les actions STIM se négocient à 4,80 $ à la date de rédaction, en hausse impressionnante de 198,14 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -1,22, et son PER (TTM) est de -3,94.

Pour le troisième trimestre 2024, Neuronetics a déclaré un chiffre d’affaires de 18,5 millions de dollars, une perte nette de 13,3 millions de dollars, et une baisse de la trésorerie à 20,9 millions de dollars contre 59,7 millions à la fin de 2023. Au cours de cette période, l’entreprise a expédié 48 systèmes NeuroStar aux États‑Unis, et son chiffre d’affaires a atteint 4,1 millions de dollars, tandis que les séances de traitement ont augmenté de 2 %.

Neuronetics a également acquis Greenbrook TMS , ce qui, selon le PDG Keith J. Sullivan, devrait accélérer son chemin vers la rentabilité.

Selon les résultats préliminaires du quatrième trimestre, le chiffre d’affaires de Neuronetics pour le quatrième trimestre est estimé à 22,1 millions de dollars et à 74,5 millions de dollars pour l’ensemble de 2024. Cependant, elle a annoncé de meilleures attentes pour cette année, avec un chiffre d’affaires total compris entre 145 millions et 155 millions de dollars et un flux de trésorerie positif au troisième trimestre. 

#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation   

Cette entreprise de technologie médicale développe des solutions peu invasives pour la stimulation cérébrale, l’enregistrement EEG et les solutions d’ablation pour les personnes souffrant de troubles neurologiques tels que l’épilepsie, la dystonie, les tremblements, la maladie de Parkinson et la douleur chronique.

Ses produits comprennent la technologie d’électrode corticale Evo pour l’enregistrement, la surveillance et la stimulation du tissu cérébral. 

Ensuite, il y a le système d’ablation OneRF pour créer des « lésions par radiofréquence dans le tissu nerveux pour des procédures neurochirurgicales fonctionnelles ». NeuroOne a effectivement obtenu l’autorisation de la FDA pour son système d’ablation OneRF, en faisant le premier et le seul à le recevoir à la fois pour le rapport d’activité électrique et l’ablation du tissu nerveux.

Avec une capitalisation boursière de 34,56 millions de dollars, les actions NMTC se négocient actuellement à 1,12 $ en hausse de 35,61 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -0,27, et son PER (TTM) est de -4,21.

Au premier trimestre de l’exercice 2025, l’entreprise a déclaré 3,3 millions de dollars de chiffre d’affaires produit et 1,9 million de dollars de marge brute produit, tandis que les dépenses d’exploitation ont diminué. Au 31 décembre 2024, elle disposait de 1,1 million de dollars de trésorerie et équivalents, inférieure aux 1,5 million de dollars qu’elle possédait au 30 septembre 2024.

Conclusion

Les percées dans la recherche liée au cerveau sont essentielles pour le progrès de l’humanité. Après tout, c’est notre organe le plus important, qui contrôle presque toutes les fonctions, de la pensée, la mémoire et l’émotion au mouvement, à la vision et à l’audition. Ainsi, une compréhension plus approfondie du cerveau est indispensable, et les dernières recherches qui font progresser la cartographie à grande échelle de la connectivité synaptique constituent une étape importante pour décoder simplement comment les neurones interagissent et communiquent.

À mesure que ces avancées continuent de se perfectionner, elles peuvent ouvrir la voie à une compréhension plus profonde du fonctionnement du cerveau, aider à de nouvelles stratégies thérapeutiques pour des affections complexes et révolutionner la recherche neurologique.

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Référence de l’étude :

1. Wang, J., Jung, W. B., Gertner, R. S., et al. (2025). Cartographie de la connectivité synaptique parmi des milliers de neurones via un enregistrement intracellulaire parallélisé avec une matrice d’électrodes à microtrous. Nature Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01352-5