Utiliser l’IA pour optimiser l’imagerie neuronale rapide

La connectomique, le domaine d’étude ambitieux qui cherche à cartographier le réseau complexe des cerveaux animaux, connaît une poussée de croissance. En l’espace d’une décennie, elle est passée de ses stades naissants à une discipline prête à (espérons-le) résoudre les énigmes de la cognition et les fondements physiques des neuropathologies telles que la maladie d’Alzheimer.

Au premier plan se trouve l’utilisation de microscopes électroniques puissants, que des chercheurs du Laboratoire d’informatique et d’intelligence artificielle du MIT (CSAIL) et des laboratoires Samuel et Lichtman de l’Université Harvard ont dotés des prouesses analytiques de l’apprentissage automatique. Contrairement à la microscopie électronique traditionnelle, l’IA intégrée sert de « cerveau » qui apprend un spécimen tout en acquérant les images et se concentre intelligemment sur les pixels pertinents à une résolution nanométrique, de la même manière que les animaux inspectent leur monde.

« SmartEM » aide la connectomique à examiner et à reconstruire rapidement le réseau complexe de synapses et de neurones du cerveau avec une précision nanométrique. Contrairement à la microscopie électronique traditionnelle, son IA intégrée ouvre de nouvelles portes pour comprendre l’architecture complexe du cerveau. « SmartEM : microscopie électronique guidée par apprentissage automatique » a été publié sur le serveur de pré-impression bioRxiv.

L’intégration du matériel et des logiciels dans le processus est cruciale. L’équipe a intégré un GPU dans l’ordinateur de support connecté à leur microscope. Cela a permis d’exécuter des modèles d’apprentissage automatique sur les images, aidant ainsi le faisceau du microscope à être dirigé vers des zones jugées intéressantes par l’IA.

“Cela permet au microscope de rester plus longtemps dans des zones plus difficiles à comprendre jusqu’à ce qu’il capture ce dont il a besoin”, explique Nir Shavit, professeur au MIT et chercheur principal du CSAIL. “Cette étape permet de refléter le contrôle visuel humain, permettant une compréhension rapide des images.”

“Lorsque nous regardons un visage humain, nos yeux se dirigent rapidement vers les points focaux qui fournissent des signaux vitaux pour une communication et une compréhension efficaces”, explique l’architecte principal de SmartEM, Yaron Meirovitch, chercheur invité au MIT CSAIL et également ancien postdoctorant. et actuel neuroscientifique associé de recherche à Harvard.

“Lorsque nous nous plongeons dans un livre, nous ne parcourons pas tout l’espace vide ; nous dirigeons plutôt notre regard vers les mots et les caractères avec une ambiguïté par rapport à nos attentes en matière de phrases. Ce phénomène au sein du système visuel humain a ouvert la voie pour la naissance du nouveau concept de microscope.”

Pour reconstruire un segment du cerveau humain d’environ 100 000 neurones, y parvenir avec un microscope conventionnel nécessiterait une décennie d’imagerie continue et un budget prohibitif. Cependant, grâce à SmartEM, en investissant dans quatre de ces microscopes innovants pour moins d’un million de dollars chacun, la tâche pourrait être achevée en seulement trois mois.

Prix ​​Nobel et petits vers

Il y a plus d’un siècle, le neuroscientifique espagnol Santiago Ramón y Cajal était considéré comme le premier à caractériser la structure du système nerveux. Utilisant les microscopes optiques rudimentaires de son époque, il s’est lancé dans des explorations majeures des neurosciences, établissant les bases de la compréhension des neurones et esquissant les premières lignes de ce domaine vaste et inexploré – un exploit qui lui a valu un prix Nobel.

Il a noté, sur les thèmes de l’inspiration et de la découverte, que “Tant que notre cerveau sera un mystère, l’univers, le reflet de la structure du cerveau, sera également un mystère”.

Depuis ces premiers stades, le domaine a progressé de façon spectaculaire, comme en témoignent les efforts déployés dans les années 1980 pour cartographier le connectome relativement plus simple de C. elegans, de petits vers, aux efforts actuels visant à sonder le cerveau plus complexe d’organismes tels que le poisson zèbre et les souris. Cette évolution reflète non seulement d’énormes progrès, mais aussi des complexités et des exigences croissantes : cartographier le cerveau de la souris à lui seul signifie gérer un millier de pétaoctets de données, une tâche qui éclipse largement les capacités de stockage de n’importe quelle université, selon l’équipe.

Tâter le terrain

Pour leur propre travail, Meirovitch et d’autres membres de l’équipe de recherche ont étudié des tranches de tissu de poulpe de 30 nanomètres d’épaisseur qui ont été montées sur des bandes, placées sur des plaquettes et finalement insérées dans des microscopes électroniques. Chaque section du cerveau d’une pieuvre, comprenant des milliards de pixels, a été imagée, permettant aux scientifiques de reconstruire les tranches en un cube tridimensionnel à une résolution nanométrique.

Cela a fourni une vue ultra-détaillée des synapses. L’objectif principal ? Pour coloriser ces images, identifier chaque neurone et comprendre leurs interrelations, créant ainsi une carte détaillée ou « connectome » des circuits du cerveau.

“SmartEM réduira le temps d’imagerie de ces projets de deux semaines à 1,5 jour”, explique Meirovitch. “Les laboratoires de neurosciences qui ne peuvent actuellement pas s’occuper d’imagerie EM coûteuse et longue pourront le faire désormais.” La méthode devrait également permettre une analyse des circuits au niveau synapse dans des échantillons provenant de patients souffrant de troubles psychiatriques et neurologiques.

En fin de compte, l’équipe envisage un avenir dans lequel la connectomique sera à la fois abordable et accessible. Ils espèrent qu’avec des outils comme SmartEM, un plus large éventail d’institutions de recherche pourraient contribuer aux neurosciences sans s’appuyer sur de grands partenariats, et que la méthode deviendra bientôt un pipeline standard dans les cas où des biopsies de patients vivants sont disponibles.

De plus, ils sont impatients d’appliquer cette technologie pour comprendre les pathologies, étendant ainsi son utilité au-delà de la simple connectomique. “Nous nous efforçons maintenant d’introduire cela dans les hôpitaux pour les biopsies de grande taille, en utilisant des microscopes électroniques, dans le but de rendre les études pathologiques plus efficaces”, explique Shavit.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.