Un jumeau numérique anatomiquement précis du cerveau d'un enfant de 2 ans révèle des signatures neuronales liées à l'autisme

Depuis des décennies, les chercheurs s'efforcent de comprendre les racines biologiques des troubles du spectre autistique (TSA), une affection neurodéveloppementale fréquente qui influence la communication, l'apprentissage et l'interaction avec le monde. L'un des principaux obstacles réside dans l'extraordinaire complexité des réseaux neuronaux du cerveau. Les modèles actuels ne permettent pas encore de saisir de manière unifiée à la fois la structure et l'activité dynamique du cerveau.

Dans une étude récente publiée dans PLOS Digital Health , des chercheurs ont créé un nouveau système appelé FEDE (high FidElity Digital brain modEl) qui construit un jumeau numérique, une réplique informatique détaillée ou une copie virtuelle d'un objet du monde réel. Dans cette étude, il s'agissait d'une copie virtuelle du cerveau d'un enfant de 2 ans atteint de TSA.

Pour construire FEDE, les chercheurs ont combiné des cartes de la structure cérébrale de l'enfant obtenues par IRM avec une modélisation mathématique afin de créer un cerveau numérique capable de simuler à la fois la structure et le fonctionnement du cerveau.

Le jumeau numérique a reproduit l'activité cérébrale enregistrée (EEG) de l'enfant ainsi que la structure cérébrale détaillée, depuis les connexions entre les régions cérébrales jusqu'à la durée de la plasticité synaptique (les modifications qui se produisent au niveau des jonctions par lesquelles les neurones communiquent). Il a également estimé d'éventuelles anomalies de transmission synaptique spécifiques au patient, compatibles avec les processus biologiques liés aux troubles du spectre autistique (TSA).

Création d'un jumeau numérique, une numérisation à la fois

Les modèles informatiques du cerveau sont devenus des outils courants pour illustrer comment la structure physique du cerveau influence son activité. Ces modèles peuvent également aider les médecins à diagnostiquer des maladies et à choisir les traitements les plus adaptés à chaque patient.

Les progrès de l'imagerie cérébrale permettent désormais aux scientifiques de capturer des détails extrêmement précis du cerveau, tels que la myélinisation, la couche graisseuse qui accélère la transmission des signaux le long des fibres nerveuses, ainsi que les propriétés physiques des tissus cérébraux comme le crâne et le cuir chevelu, qui déterminent la façon dont les signaux électriques circulent dans le cerveau.

FEDE calcule une carte personnalisée de la vitesse de conduction voxel par voxel afin de reconstruire précisément les délais de transmission de l'activité neuronale. Crédit : PLOS Digital Health (2026). DOI : 10.1371/journal.pdig.0001445

Le voxel, mot-valise créé en contractant « volume » et « pixel », est un composant élémentaire d'un environnement numérique en trois dimensions. Il est à la 3D ce que le pixel est à la 2D. Il stocke une information physique d'un point d'un volume sur un maillage régulier.

À l'heure actuelle, les outils de modélisation cérébrale sont dispersés. Les chaînes de traitement d'images, les modèles électriques de la tête et les simulateurs d'activité cérébrale fonctionnent indépendamment, sans flux de travail unique les reliant. Comprendre les mécanismes physiologiques des troubles du spectre autistique (TSA) exige une vision d'ensemble, prenant en compte les nuances anatomiques et l'activité neuronale.

Avec FEDE, les chercheurs ont entrepris de créer un système unifié ; ils ont donc commencé par réaliser des IRM avancées pour cartographier la forme physique du cerveau et des enregistrements EEG pour mesurer l'activité cérébrale réelle de l'enfant.

La cartographie des connexions entre les régions cérébrales et les schémas de myélinisation leur a permis d'obtenir un modèle électrique détaillé de la tête. Ils ont également obtenu un modèle informatique 3D de la tête entière de l'enfant, prenant en compte 12 types de tissus différents, ce qui leur a offert un aperçu unique des voies de signalisation électrique de la surface jusqu'aux profondeurs.

Les chercheurs ont utilisé plusieurs couches de modèles mathématiques pour transformer les IRM d'un jeune enfant en un cerveau virtuel fonctionnel, capable de simuler les ondes cérébrales et l'activité de signalisation.

Le résultat fut un modèle détaillé et précis de la tête du jumeau numérique, reproduisant fidèlement les ondes cérébrales (EEG) enregistrées de l'enfant. Ce modèle capturait avec exactitude la chronologie de l'activité cérébrale et la localisation précise de l'origine des signaux. L'équipe a ensuite affiné le modèle pour qu'il corresponde à l'activité cérébrale de l'enfant, révélant ainsi des irrégularités spécifiques qui seraient restées invisibles autrement.

Un modèle biophysique 3D personnalisé de la tête permet à FEDE de localiser précisément les sources corticales de chaque électrode EEG. Crédit : PLOS Digital Health (2026). DOI : 10.1371/journal.pdig.0001445

Le cerveau virtuel présentait un bruit de fond aléatoire dans son activité électrique, 100 fois supérieur à celui d'un cerveau normal. De plus, les signaux d'activation et de désactivation du cerveau, également appelés rapport excitation/inhibition (EI), étaient trois fois plus élevés que la normale, indiquant une surstimulation cérébrale. Ces anomalies sont fréquemment observées chez les personnes atteintes de TSA, comparativement à celles qui n'en sont pas atteintes.

FEDE s'est avéré bien plus performant que les modèles cérébraux virtuels traditionnels pour reproduire l'activité cérébrale réelle. L'équipe a également constaté que cela s'explique par le fait que la plupart des modèles peinent à reproduire correctement la vitesse de transmission des signaux cérébraux, car ils ne tiennent pas compte de la myélinisation, qui influe sur cette vitesse, contrairement à FEDE qui intègre ce paramètre.

Les résultats montrent clairement qu'il est possible de relier la structure et l'activité cérébrales au sein d'un même modèle. Selon les chercheurs, cela pourrait ouvrir la voie à des investigations et des traitements plus personnalisés des troubles cérébraux. Toutefois, le modèle doit d'abord être validé auprès de populations plus vastes et plus diversifiées.

https://medicalxpress.com/news/2026-06-anatomically-accurate-digital-twin-year.html

https://journals.plos.org/digitalhealth/article?id=10.1371/journal.pdig.0001445