Connectome : définition, cartographie et limites

Le connectome est une description d’ensemble des éléments d’un système nerveux et des connexions qui forment son réseau. [1] Ce terme appartient aux neurosciences et ne désigne pas une maladie, un symptôme ou un diagnostic médical. [1] L’étude du connectome, appelée connectomique, cherche notamment à comprendre comment l’organisation des connexions contribue au fonctionnement du cerveau et des circuits nerveux. [1]

Que représente un connectome ?

Un réseau cérébral peut être représenté par des nœuds, correspondant par exemple à des neurones ou à des régions cérébrales, et par des liens décrivant leurs interconnexions. [1] Les relations entre ces nœuds sont souvent résumées dans une matrice de connexion, puis analysées avec des méthodes statistiques et avec la théorie des graphes. [1] Ces analyses peuvent étudier la spécialisation de groupes de régions, l’intégration des informations dans le réseau ou l’influence particulière de certains nœuds. [1] Les régions très connectées ou jouant un rôle central dans les communications du réseau sont souvent qualifiées de hubs. [1]

Connectome structurel et connectivité fonctionnelle

Un réseau structurel représente des connexions anatomiques physiques entre des éléments nerveux. [1] Un réseau fonctionnel est établi à partir d’enregistrements de l’activité nerveuse et décrit des relations statistiques, comme une corrélation entre les variations d’activité de plusieurs régions. [1] Une connectivité fonctionnelle ne correspond donc pas nécessairement à une liaison anatomique directe entre les régions concernées. [1] Des influences transmises par plusieurs étapes intermédiaires du réseau peuvent aussi contribuer à une relation fonctionnelle entre deux régions qui ne sont pas directement reliées. [1]

Des neurones au cerveau entier : les différentes échelles

La connectomique peut être menée à l’échelle microscopique des neurones et des synapses, à une échelle intermédiaire regroupant des circuits ou des aires, ou à l’échelle macroscopique du cerveau entier. [1] Chaque échelle répond à des questions différentes et nécessite des techniques ainsi qu’un niveau de détail adaptés. [1] [2] Même si la cartographie microscopique progresse, les cartes réalisées à des échelles plus larges restent utiles pour étudier les relations entre connectivité, comportement et performances cognitives. [1] Le connectome n’est pas nécessairement identique tout au long de la vie, car les connexions peuvent évoluer avec le développement, l’expérience et la neuroplasticité. [1] Il existe également une variabilité entre les individus, que les méthodes d’imagerie non invasives permettent d’examiner dans des groupes de participants. [1]

Comment le connectome humain est-il étudié ?

Chez l’être humain, la cartographie des connexions structurelles à grande échelle repose principalement sur l’IRM de diffusion et la tractographie. [1] Ces méthodes utilisent notamment les propriétés de diffusion de l’eau dans les tissus pour produire des modèles statistiques de l’organisation des fibres nerveuses. [1] La connectivité fonctionnelle peut être étudiée par IRM fonctionnelle, par exemple en comparant les variations temporelles du signal BOLD enregistrées dans différentes régions au repos. [1] Les cartes obtenues peuvent ensuite servir à construire des modèles informatiques de circuits nerveux, dont le niveau de détail dépend de la question étudiée et des données disponibles. [2]

Quelles sont les limites de ces cartes ?

Un connectome est une représentation construite à partir de mesures et de choix méthodologiques, et non une reproduction parfaite de toutes les connexions du système nerveux. [1] La définition des nœuds, c’est-à-dire le découpage du tissu nerveux en régions cohérentes, demeure une difficulté importante. [1] La détection des connexions et l’estimation de leur force peuvent être affectées par le bruit, des biais statistiques et des erreurs d’observation. [1] L’imagerie non invasive présente aussi des limites de résolution et des biais méthodologiques, tandis que les techniques anatomiques plus directes utilisées chez l’animal peuvent être invasives. [1] Les modèles informatiques doivent être calibrés et validés, mais ils peuvent rester insuffisamment contraints lorsque les données sur la topologie ou la force des connexions sont incomplètes. [2]

Quelle est sa portée médicale ?

La recherche sur le connectome examine notamment comment les connexions structurelles façonnent ou contraignent les relations fonctionnelles entre les régions cérébrales. [1] Des travaux étudient aussi les perturbations de connectivité associées à des troubles cérébraux ou mentaux et utilisent des modèles de connectome pour explorer certaines maladies neurologiques. [1] [2] Ces usages de recherche ne signifient pas qu’une carte du connectome constitue, à elle seule, le diagnostic d’une maladie ou une indication de traitement pour une personne. [1] [2] Les rubriques habituelles sur les signes, l’évolution, la prévention ou le recours aux soins ne s’appliquent donc pas au connectome lui-même, puisqu’il s’agit d’un concept de cartographie et de modélisation des réseaux nerveux. [1] [2]