Des scientifiques indiens dévoilent ANCHOR, l’atlas 3D du tronc cérébral humain le plus détaillé au monde

Cartographier le centre de commande caché du cerveau

Depuis plus d’un siècle, les neuroscientifiques étudient le cerveau humain un peu comme les premiers cartographes représentaient des terres inconnues, reconstituant un vaste paysage à partir d’observations éparses. Aujourd’hui encore, un anatomopathologiste qui diagnostique la maladie d’Alzheimer n’examine généralement qu’une poignée d’échantillons de tissu prélevés dans un organe qui contient environ 86 milliards de neurones. Cette fenêtre étroite laisse une grande partie du cerveau dans l’ombre.

Les scientifiques du Sudha Gopalakrishnan Brain Centre (SGBC), à l’Indian Institute of Technology de Madras (IIT-M), estiment avoir franchi une étape importante pour combler cette lacune. Ils ont produit ce qu’ils décrivent comme l’atlas 3D du tronc cérébral humain le plus détaillé au monde, avec une résolution cellulaire. Baptisée ANCHOR, acronyme d’Atlas of Neurochemical Characterisation of the Human Brainstem with 3D Reconstruction, cette carte numérique permet aux chercheurs de passer des IRM du cerveau entier aux cellules nerveuses individuelles, tout en conservant chaque structure à sa place exacte.

L’atlas rassemble plus de 500 coupes de tissus provenant de cerveaux fœtaux, d’enfants et d’adultes. Huit marqueurs chimiques, appelés immunomarquages, permettent de distinguer différents types de cellules neurochimiques. Il met ainsi en évidence plus de 200 groupes de cellules cérébrales et voies nerveuses dans le tronc cérébral. Contrairement aux atlas moléculaires plus coûteux, ANCHOR repose sur des images microscopiques à haute résolution, ce qui rend la cartographie détaillée à l’échelle cellulaire plus abordable et plus facile à déployer à grande échelle.

Le projet a été présenté lors du 3e symposium BRICS sur les neurosciences, en 2026, à l’IIT-Madras, en présence de responsables publics, d’universitaires et de représentants du secteur philanthropique. Ce lancement a marqué à la fois une avancée scientifique et le rôle croissant de l’Inde dans les neurosciences mondiales.

Pourquoi le tronc cérébral reste la dernière frontière des neurosciences

Le tronc cérébral n’occupe qu’une petite partie de la base du cerveau, mais il est indispensable à la vie. Il relie le cerveau à la moelle épinière et régule la respiration, le rythme cardiaque, la pression artérielle, le sommeil, l’éveil, la température corporelle et les mouvements. Des lésions touchant de petits groupes de cellules peuvent être catastrophiques, mais l’architecture dense de cette région a longtemps compliqué les tentatives de cartographie détaillée.

Le Dr Mihail Bota, chercheur principal au SGBC et l’un des responsables scientifiques du projet, a souligné que le tronc cérébral constitue aussi le lien vital entre le cerveau et le reste du corps, par l’intermédiaire de la moelle épinière. Il abrite dix des douze nerfs crâniens et joue un rôle majeur dans les fonctions autonomes, la régulation des émotions et les comportements intentionnels.

La cartographie de cette région est particulièrement difficile, car des milliers de cellules nerveuses et de voies de fibres sont étroitement regroupées dans un espace réduit. Sa structure est très hétérogène. Différents noyaux et centres de commande apparaissent et disparaissent sur de très courtes distances. Comme il est impossible de biopsier sans risque le tronc cérébral de patients vivants, les chercheurs doivent s’appuyer sur des tissus post mortem, des coupes fines, des colorations, de l’imagerie et des reconstructions informatiques. Ce travail lent et minutieux a limité l’ampleur et le niveau de détail des cartes précédentes.

Les scientifiques ont cartographié avec une précision remarquable le cerveau de plusieurs espèces animales, mais celui de l’être humain reste relativement peu documenté, car les études détaillées de tissus cérébraux humains sont rares. Chaque cerveau humain est unique et les obstacles éthiques, techniques et logistiques compliquent les études à grande échelle. ANCHOR contribue à combler cette lacune en fournissant une référence à haute résolution, élaborée directement à partir de tissus humains.

La création d’ANCHOR : de 500 coupes à un atlas numérique

L’équipe d’ANCHOR a mis au point une plateforme d’imagerie cérébrale et de calcul à haut débit qui transforme des cerveaux humains entiers en bases de données 3D à résolution cellulaire. Le processus commence après le prélèvement d’un cerveau donné, qui est traité dans des délais strictement contrôlés. Le tronc cérébral, dont le Pr Mohanasankar Sivaprakasam, directeur du SGBC, dit qu’il a à peu près la forme d’une carotte, est découpé en sections de seulement 10 à 20 microns d’épaisseur. Un micron représente environ un cinquième de la largeur d’un cheveu humain : chaque coupe est donc d’une finesse extraordinaire.

Les coupes sont ensuite soumises à des traitements chimiques et biologiques, avant d’être cartographiées et annotées numériquement. Des outils avancés d’imagerie fondés sur l’intelligence artificielle et des moyens de calcul haute performance alignent les coupes avec une telle précision qu’ils permettent de reconstituer le tronc cérébral d’origine en trois dimensions. Une vingtaine de scientifiques ont consacré 18 mois à l’analyse manuelle de plus de 200 coupes cérébrales et à la combinaison d’IRM, d’anatomie microscopique et de reconstruction 3D au sein d’un même atlas.

Huit immunomarquages complémentaires ont été superposés aux coupes de tissus. Ces marqueurs chimiques agissent comme des filtres et font ressortir différents types de cellules neurochimiques. Le résultat est une ressource multimodale qui associe IRM, imagerie de la face de bloc et histologie à résolution cellulaire. Les chercheurs peuvent examiner n’importe quel point du tronc cérébral à plusieurs résolutions et au moyen de différentes méthodes de coloration, révélant des détails anatomiques et chimiques qui resteraient autrement invisibles.

Les cerveaux destinés à ce type de cartographie à résolution cellulaire doivent être prélevés et traités dans des conditions strictes. L’équipe a dû élaborer des protocoles spécialisés pour préserver l’intégrité des tissus et éliminer les résidus sanguins susceptibles de gêner l’imagerie. Ce travail a mobilisé des neuroscientifiques, des neuroanatomistes, des spécialistes de l’histologie et de l’imagerie ainsi que des experts en informatique scientifique.

Relier les images du cerveau entier à celles des cellules individuelles

Les neurosciences modernes ont longtemps évolué dans deux univers distincts. L’IRM révèle le cerveau entier, mais manque de détails cellulaires. Le microscope montre les cellules individuelles, mais uniquement dans des coupes isolées. Le lien spatial entre ces coupes et la structure globale est souvent perdu. Ce décalage empêche cliniciens et chercheurs de faire correspondre le cerveau tel qu’il apparaît sur un examen d’imagerie avec celui qu’ils observent au microscope.

ANCHOR tente de combler cet écart. Les utilisateurs peuvent passer d’une vue du tronc cérébral entier par IRM à celle de neurones individuels, tout en préservant leurs relations spatiales précises. C’est cette intégration qui distingue l’atlas. Il ne s’agit pas simplement d’un schéma anatomique de plus, mais d’un trait d’union entre l’imagerie médicale et l’anatomopathologie cellulaire.

Le Dr Rebecca Folkerth, neuropathologiste affiliée à la Harvard Medical School et à l’université de New York, a collaboré avec l’équipe du SGBC. Elle a examiné des milliers de cerveaux en plus de trois décennies. Elle a décrit cette nouvelle ressource comme la réalisation d’un rêve professionnel de longue date.

Ce que le centre indien a créé correspond essentiellement à ce dont je rêvais au début de ma carrière : faire correspondre les images cérébrales à l’anatomie microscopique du cerveau.

Le Dr Shubha Tole, neuroscientifique indienne au Tata Institute of Fundamental Research, a qualifié le projet d’« intégration sans précédent » de l’ingénierie, des neurosciences et de la médecine. Selon elle, ce programme place l’Inde au cœur de la scène internationale.

Le Dr Partha Mitra, spécialiste du cerveau au Cold Spring Harbor Laboratory, qui a contribué à concevoir et à mettre en place le programme d’histologie du cerveau humain de l’IIT Madras, a déclaré que des atlas cérébraux détaillés pourraient transformer l’étude des maladies neurologiques en révélant, cellule par cellule, les différences entre les cerveaux touchés par des maladies comme Alzheimer ou l’autisme et les cerveaux sains.

De la maladie de Parkinson à l’AVC : ce qu’ANCHOR pourrait révéler

L’atlas n’est pas un outil de diagnostic. Son principal intérêt réside dans les questions qu’il peut aider les scientifiques à poser. En comparant les cartes d’un tronc cérébral sain à des tissus atteints, les chercheurs pourraient mieux comprendre des troubles allant de la maladie de Parkinson et de l’AVC à la maladie d’Alzheimer et au syndrome de mort subite du nourrisson (SMSN).

La maladie de Parkinson est liée à la perte progressive de cellules nerveuses produisant de la dopamine dans la substance noire, une structure située dans le tronc cérébral. L’AVC peut léser les tissus de façons qui ne sont pas encore pleinement comprises. La maladie d’Alzheimer a été associée à des modifications de régions du tronc cérébral. Des cartes plus précises pourraient aider les neurochirurgiens à intervenir avec davantage d’assurance dans l’une des zones les plus délicates du cerveau.

Le Dr Folkerth a pris l’AVC comme exemple. Selon elle, l’atlas a révélé de nouvelles caractéristiques qui pourraient aider les médecins à préserver des tissus cérébraux lésés, mais pas encore irrémédiablement endommagés, et ainsi améliorer potentiellement le pronostic des patients.

Le Dr Mitra a également souligné que des atlas comme ANCHOR pourraient contribuer à expliquer comment des infections, notamment la Covid-19, provoquent des lésions neurologiques à long terme. Le tronc cérébral contrôlant des fonctions telles que la respiration et l’éveil, comprendre les effets des virus ou de l’inflammation sur ses cellules pourrait ouvrir de nouvelles pistes de recherche sur les séquelles post-infectieuses.

D’autres applications pourraient concerner la médecine du sommeil, les troubles du développement et l’étude des changements liés à l’âge. Le tronc cérébral commence à se développer très tôt au cours de la vie embryonnaire et établit rapidement des connexions nerveuses essentielles, alors que le fœtus est encore dans l’utérus. Plus tard, plusieurs structures du tronc cérébral commencent à perdre des neurones. Comprendre ces évolutions normales liées au développement et au vieillissement est indispensable avant de pouvoir repérer les dérèglements dus à la maladie.

Science ouverte, collaboration internationale et lancement aux BRICS

ANCHOR a été présenté lors du 3e symposium BRICS sur les neurosciences, qui s’est tenu du 5 au 7 juin à l’IIT Madras. Le symposium a réuni des neuroscientifiques, des cliniciens, des universitaires et des chercheurs des pays des BRICS. Le lancement a eu lieu en présence du Pr Ajay Kumar Sood, conseiller scientifique principal du gouvernement indien, qui en était l’invité d’honneur. Étaient également présents Kris Gopalakrishnan, cofondateur d’Infosys et important soutien du SGBC ; le Pr V. Kamakoti, directeur de l’IIT Madras ; et le Pr Mohanasankar Sivaprakasam, directeur du SGBC.

Le Pr Sood a pris la parole lors de l’événement et déclaré que ces cartes pourraient aider à identifier les populations cellulaires touchées par des lésions du tronc cérébral, ce qui pourrait être essentiel pour les applications cliniques. Il a qualifié le projet d’avancée majeure en neurobiologie et salué le centre pour son travail au-delà des institutions, des frontières et des disciplines.

C’est une réalisation importante dans le domaine de la neurobiologie. Il s’agit d’un cadre multimodal qui intègre l’IRM, l’histologie et une chimioarchitecture détaillée. Ces cartes du tronc cérébral humain seront les plus détaillées et les plus complètes qui soient, et elles seront mises à la disposition du public sous forme numérique.

Le projet a également dépendu d’établissements médicaux indiens pour accéder aux tissus. Le CMC de Vellore, le Government Kilpauk Medical College, le Sri Ramachandra Institute of Higher Education and Research et MediScan Systems ont contribué au prélèvement de cerveaux provenant de personnes d’âges et de milieux divers. Cette collaboration entre hôpitaux, ingénieurs et neuroscientifiques a été essentielle à la création de l’atlas.

Les chercheurs ont rendu ANCHOR accessible au public sur le site anchor.humanbrain.in. L’accès libre est au cœur du projet. L’équipe souhaite que l’atlas devienne une infrastructure commune plutôt qu’une ressource interne à accès limité.

Un projet plus vaste : cartographier 100 cerveaux à tous les âges et face à la maladie

ANCHOR s’inscrit dans un effort plus large du SGBC visant à créer des cartes exhaustives du cerveau humain à résolution cellulaire, couvrant les différents âges de la vie et diverses affections neurologiques. En 2024, le centre a publié DHARANI, un atlas détaillé du cerveau fœtal en développement. Les chercheurs travaillent maintenant à d’autres atlas couvrant le troisième trimestre de grossesse, la petite enfance et diverses maladies neurologiques.

L’un des projets en cours porte sur un atlas détaillé d’un cerveau touché par un AVC ischémique, que l’équipe prévoit de publier dans l’année à venir. Le centre prévoit d’imager plus de 100 cerveaux humains entiers à différents âges et présentant des troubles neurologiques, notamment la maladie d’Alzheimer et la démence, afin de créer une bibliothèque de référence qui pourrait révéler comment la maladie remodèle le cerveau, cellule par cellule.

Le Pr Sivaprakasam a déclaré que cette prouesse représente à la fois une avancée scientifique et un progrès dont la médecine et la pratique clinique tireront grand bénéfice. Pour la première fois, les cliniciens peuvent connaître en détail l’aspect du tronc cérébral, avec une résolution bien supérieure à celle de l’IRM ou du scanner. Il s’attend à ce que ces travaux trouvent des applications, entre autres, en chirurgie cérébrale.

Le centre est principalement financé par les contributions fondatrices de Kris Gopalakrishnan, cofondateur d’Infosys, et de son épouse Sudha Gopalakrishnan. Il reçoit également des subventions d’établissements privés et d’organisations philanthropiques, ainsi qu’un financement de démarrage du gouvernement indien. L’équipe compte désormais plus de 200 chercheurs, ingénieurs et techniciens, qui travaillent avec des collaborateurs d’une vingtaine de pays.

J’espère que ce projet apportera une contribution importante aux neurosciences dans le monde. En Inde, nous sommes conscients de l’importance d’une science et de technologies abordables, car, en définitive, la technologie doit être au service de la société et des citoyens.

La Pr Vidita A. Vaidya, professeure titulaire et coprésidente du département des sciences biologiques du Tata Institute of Fundamental Research, a déclaré que les ressources de recherche en accès libre comme ANCHOR sont essentielles pour renforcer la collaboration internationale et accélérer les découvertes. Elle voit l’Inde devenir un pôle mondial majeur de la recherche en neurosciences, le SGBC étant à la pointe de la neuroanatomie et élargissant ses travaux à la transcriptomique spatiale pour superposer des données moléculaires aux cartes cellulaires.

L’essentiel

• Des chercheurs du Sudha Gopalakrishnan Brain Centre de l’IIT Madras ont publié ANCHOR, un atlas 3D gratuit du tronc cérébral humain à résolution cellulaire.
• L’atlas associe l’IRM, l’histologie à haute résolution et huit marqueurs neurochimiques, à partir de plus de 500 coupes de tissus provenant de cerveaux fœtaux, d’enfants et d’adultes.
• Il identifie plus de 200 noyaux et faisceaux de fibres du tronc cérébral, permettant aux scientifiques de passer des images du cerveau entier aux cellules nerveuses individuelles.
• Le tronc cérébral contrôle la respiration, le rythme cardiaque, la pression artérielle, le sommeil, l’éveil et les mouvements : des cartes détaillées sont donc indispensables à la recherche clinique.
• Parmi les applications potentielles figurent l’étude de la maladie de Parkinson, de l’AVC, de la maladie d’Alzheimer, des troubles du sommeil et du SMSN, ainsi que la planification neurochirurgicale.
• ANCHOR est actuellement une ressource de recherche, et non un outil de diagnostic. Ces travaux ont été publiés sous forme de prépublication sur bioRxiv et sont en attente d’évaluation par les pairs.
• Le SGBC prévoit de cartographier plus de 100 cerveaux humains entiers à différents âges et présentant des maladies neurologiques, dans le prolongement de travaux antérieurs comme l’atlas du cerveau fœtal DHARANI.