Une Taxonomie Bimodale de la Morphologie Sulcale du Cerveau Humain Adulte Liée au Calendrier de la Sulcation Fœtale et aux Gradients d'Expression Génomiques Trans-Sulcaux
Contexte et objectif de recherche
Cette étude se concentre sur les caractéristiques morphologiques complexes des circonvolutions corticales du cerveau adulte, notamment la classification des morphologies linaires et complexes des sillons cérébraux ainsi que leur mécanisme de formation. Les sillons sont des structures en forme de rainures à la surface du cortex cérébral, correspondant à différentes caractéristiques génétiques, zones fonctionnelles et périodes de développement des circonvolutions chez le fœtus. L’équipe de recherche vise à explorer, par une analyse automatisée de conduites de données, les caractéristiques de classification de la structure des sillons et leur relation avec les gradients d’expression génétique. L’importance de cette étude réside dans le fait que, malgré les grandes différences interindividuelles de la structure de la surface cérébrale, le processus de formation pourrait suivre certaines règles. L’objectif de cette recherche est de créer un système de classification quantitatif pour les morphologies des circonvolutions, de révéler l’origine du développement des complexités des sillons et de fournir une nouvelle perspective pour les futures recherches sur le développement neuronal et les maladies.
Origine et auteurs de la recherche
Cette étude a été réalisée par William E. Snyder et son équipe et publiée dans le journal « Neuron » en octobre 2024. L’équipe de recherche est issue de l’Université de Cambridge, de l’Institut national de la santé mentale des États-Unis, du King’s College de Londres, de l’Université Paris-Saclay, ainsi que d’autres institutions de recherche renommées. En rassemblant des chercheurs de disciplines diverses, l’équipe a pu intégrer la génétique, les sciences des données et les technologies d’imagerie pour mener une discussion approfondie et interdisciplinaire.
Méthodes et processus de recherche
Cette recherche emploie un nouvel ensemble de calculs pour analyser les caractéristiques morphologiques des 40 sillons du cortex cérébral adulte et utiliser les données IRM du cerveau pour établir un « réseau de phénotypes de sillons » (sulcal phenotype network, SPN). La recherche est divisée en plusieurs étapes principales :
Collecte d’échantillons et traitement des données : La recherche s’appuie sur les données d’IRM fournies par la Biobanque britannique, couvrant 34 725 participants adultes (âgés de 45 à 82 ans). Toutes les données ont été soumises à un filtrage de qualité pour assurer l’intégrité et la cohérence des données.
Mesure du phénotype des sillons : Dans chaque échantillon IRM, l’équipe de recherche a segmenté et étiqueté 40 sillons et extrait cinq indicateurs morphologiques, dont la profondeur des sillons, la variabilité de la profondeur, la longueur de la branche la plus longue, l’élongation de la branche et la dimension fractale (FD). Ces caractéristiques ont été mesurées dans deux directions, radiale (perpendiculaire aux circonvolutions) et tangentielle (le long de la surface externe des sillons), afin de représenter intégralement la géométrie des sillons.
Classification des sillons et analyse de regroupement : Par le calcul de la matrice des coefficients de corrélation de Pearson entre les caractéristiques phénotypiques des 40 sillons, l’équipe de recherche a construit le SPN et effectué une analyse de regroupement hiérarchique du réseau. Les résultats du regroupement ont révélé deux grandes catégories de morphologies de sillons : une est la morphologie linéaire, avec des sillons plus profonds et des branches simples, ayant une forte hérédité et situés principalement dans les cortex unimodaux ; l’autre est la morphologie complexe, avec des sillons plus superficiels et des branches variées, ayant une faible hérédité et situés principalement dans les cortex hétéromodaux.
Analyse de l’association entre le développement des circonvolutions fœtales et la morphologie adulte : L’étude a analysé davantage les données IRM cérébrales fœtales (21 à 36 semaines de gestation), retraçant les courbes de développement de la courbure des divers sillons. Avec les courbes de changement de courbature du développement fœtal, l’étude a révélé que le moment de formation des circonvolutions pendant la période fœtale est étroitement lié aux morphologies linéaires ou complexes des circonvolutions à l’âge adulte. Les sillons linéaires se forment généralement plus tôt dans la période fœtale, tandis que les sillons complexes se forment à un stade fœtal plus avancé. Les analyses associatives montrent un lien significatif entre le moment de formation des circonvolutions fœtales et la complexité des sillons à l’âge adulte.
Analyse des gradients d’expression génétique : À l’aide de cartes d’expression génétique à haute résolution, la recherche a validé l’hypothèse biologique de la formation des sillons, à savoir que la formation des sillons linéaires se produit dans des zones à changements rapides d’expression génétique. L’équipe de recherche a découvert que des gradients d’expression génétique significatifs existent de part et d’autre des sillons, notamment autour du sillon central et du sillon pariéto-occipital, ces gènes étant étroitement liés aux processus de développement des neurones inhibiteurs, des cellules microgliales, etc., renforçant davantage l’hypothèse d’un contrôle génétique des morphologies des circonvolutions.
Principaux résultats de la recherche
Les principales découvertes de cette recherche incluent :
Double classification bimodale des sillons : La recherche propose un système de classification bimodale des sillons basé sur les caractéristiques morphologiques, divisant les sillons du cerveau adulte en deux grandes catégories de morphologies linéaires et complexes. Ce système de classification ne révèle pas seulement la diversité des caractéristiques morphologiques des sillons, mais est également étroitement lié aux caractéristiques héréditaires et aux différences fonctionnelles des différentes zones corticales. Les sillons linéaires se situent pour la plupart dans les régions corticales centrales, avec une hérédité plus importante, tandis que les sillons complexes se concentrent dans les régions corticales périphériques, avec une hérédité moindre.
Relation entre la morphologie des sillons et le moment du développement fœtal : La complexité des sillons est étroitement liée à leur moment de formation pendant la période fœtale. Les sillons linéaires formés précocement présentent des structures relativement simples à l’âge adulte, tandis que les sillons complexes formés plus tardivement présentent des structures de branches variées, indiquant que la formation des formes de sillons est influencée par le moment du développement fœtal.
Relation entre les gradients d’expression génétique et la formation des sillons : Les sillons linéaires se situent généralement dans des zones à gradients de changements d’expression génétique plus élevés, notamment situées aux frontières fonctionnelles, corroborant l’hypothèse du rôle de la régulation génétique dans la formation des sillons. Cette découverte fournit une explication moléculaire du mécanisme de développement des structures de sillons.
Nouveaux ensembles de calculs et ressources de données : Le pipeline d’analyse automatisée développé dans cette recherche a été publiquement diffusé, y compris les processus de calcul de cinq indicateurs morphologiques de sillons, la méthode de construction du SPN et ses outils d’analyse. L’équipe de recherche espère que ces ressources pourront fournir des données de référence standardisées pour les recherches futures en neurosciences et favoriser l’exploration approfondie des relations entre la morphologie des sillons et l’expression génétique.
Signification de la recherche et valeur d’application
Grâce à l’établissement d’un réseau de phénotypes de sillons, cette étude a présenté une méthode de classification bimodale des morphologies des sillons et a révélé des relations profondes entre les morphologies des sillons du cerveau adulte et le développement fœtal, ainsi que l’expression génétique. Sa signification scientifique se manifeste dans plusieurs aspects :
Fournir une base théorique pour le développement des sillons et les différences individuelles : Grâce à l’analyse quantitative, l’étude a dévoilé la double classification des structures des sillons, fournissant non seulement des éléments empiriques pour la régularité du développement des sillons mais offrant également une nouvelle explication des différences morphologiques des sillons entre les individus.
Révéler l’association entre la morphologie des sillons et la fonction : Les résultats de l’étude montrent que les sillons linéaires sont plus souvent associés aux fonctions des cortex unimodaux, tandis que les sillons complexes sont associés aux zones de connexion intermodale. Cela offre une nouvelle perspective pour comprendre la relation entre la structure des sillons, les fonctions cognitives et les maladies mentales.
Fournir un soutien d’outils pour la recherche sur les maladies futures : Les relations des morphologies des sillons avec le moment du développement et l’expression génétique, en particulier pour les maladies mentales et neurodéveloppementales, offrent de possibles directions de recherche pour comprendre les mécanismes pathogénétiques de ces maladies et les cibles thérapeutiques potentielles.
Points forts de la recherche
- Nouveau système de classification : Le système de classification bimodale des sillons proposé dans cette étude comble le manque de classification quantitative des morphologies des sillons.
- Validation des gradients d’expression génétique : L’étude a validé par les gradients d’expression génétique l’hypothèse biologique du rôle de la régulation génétique dans la morphologie des sillons.
- Publication des outils d’analyse automatisée : Le pipeline de calcul automatisé fourni par cette recherche soutient les futures analyses de données d’imagerie cérébrale à grande échelle en proposant des outils réutilisables.
Conclusion
Cette recherche ne propose pas seulement une méthode innovante de classification des morphologies des sillons, mais, à travers la vérification du développement fœtal et des gradients d’expression génétique, révèle les mécanismes de formation des morphologies des sillons cérébraux. Les ressources de données et les outils de calcul fournis par l’équipe de recherche peuvent non seulement promouvoir les recherches fondamentales dans le domaine des neurosciences mais également posséder une valeur d’application potentielle. Cette étude a une importance majeure pour l’anatomie du cerveau, les neurosciences du développement, la régulation génétique et la recherche sur les maladies neurologiques, jetant les bases pour au standardisation future des recherches sur les morphologies des sillons.