TEP, IRM, IRMf, IRM de diffusion... Les techniques de neuro-imagerie n'ont cessé de se développer au cours des dernières décennies. Objectif de ceux qui les utilisent : mieux comprendre le fonctionnement intime du cerveau et ses pathologies et, pourquoi ne pas rêver, "voir cet organe penser".
Article rédigé par Jean-François Desessard. Nous tenons à remercier tout particulièrement Denis Le Bihan, directeur de NeuroSpin, la plate-forme de neuro-imagerie en champ intense du CEA.
Focus :
D'autres techniques de neuro-imagerie
Parallèlement à la TEP et l'IRM, il existe d'autres techniques de neuro-imagerie. Ainsi le CT scan consiste à réarranger par ordinateur plusieurs images prises aux rayons X selon différents angles.
Résultat : une excellente résolution spatiale, mais le contraste reste moins riche que l'IRM pour l'étude du cerveau. Il est également possible d'amplifier l'activité électrique des neurones à l'aide de l'EEG ou électroencéphalographie. Proche de cette technique, la MEG ou magnétoencéphalographie permet de voir le cerveau en action en mesurant les très faibles champs magnétiques émanant de son activité électrique.
Vasodilatation locale des capillaires sanguins cérébraux
Quand un groupe de neurones devient plus actif, il se produit automatiquement une vasodilatation locale des capillaires sanguins pour amener davantage de sang, et par conséquent d'oxygène, vers les régions les plus actives du cerveau. Ce phénomène physiologique sur lequel repose la TEP et l'IRMf a été mis en évidence à la fin du XIXe siècle par des neurochirurgiens qui établirent alors que les fonctions cognitives entraînent une modification locale de la circulation sanguine cérébrale.
Jusqu'à 17,65 T chez l'animal
Pour obtenir un champ magnétique très homogène afin de l'utiliser sur l'homme, il faut disposer d'un appareil dont le diamètre du cylindre est relativement grand. Pour les animaux, les exigences ne sont pas les mêmes. D'où des machines au diamètre plus petit et dont le champ magnétique est plus élevé. Ainsi NeuroSpin accueillera fin 2007 un aimant d'une puissance de 17,65 T, actuellement en construction chez Bruker. Là encore, il s'agira d'une première mondiale. L'Allemagne dispose d'ores et déjà d'un aimant vertical, plus petit, dont la puissance atteint 17 T.
Glossaire :
[1] Tesla (T) : unité de champ magnétique. A Paris, le champ magnétique terrestre est de 0,00005 Tesla.
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Outil d'étude unique pour explorer le cerveau humain, le centre de neuro-imagerie cérébrale par résonance magnétique nucléaire (IRM) en champ intense "NeuroSpin" a été inauguré le 24 novembre dernier par le Premier ministre Dominique de Villepin. En 2009, cette plate-forme abritera un imageur IRM, destiné aux études sur l'homme, doté d'un aimant de 11,7 Tesla une puissance à ce jour inégalée dans le monde. Les chercheurs pourront alors observer le cerveau et ses pathologies avec une précision encore plus fine, ceci à une échelle plus représentative des phénomènes qui l'animent. Aujourd'hui, seuls les Etats-Unis disposent de deux systèmes dont la puissance est de 9,4 T. Panorama des techniques et des recherches d'un domaine en plein essor.
Pendant longtemps, seules des méthodes indirectes comme la dissection post-mortem chez l'homme ou la destruction sélective de certaines régions cérébrales chez l'animal ont permis d'étudier le cerveau afin d'essayer de comprendre sa structure et le rôle des différentes parties qui composent cet organe. Au cours du XXe siècle, Wilder Penfield (1891-1976), qui fut l'un des plus réputés neurologues et neurochirurgiens de son époque, établit les premières cartes cérébrales fonctionnelles chez l'homme à partir de données collectées lors d'opérations neuro-chirurgicales durant lesquelles des stimulations électriques étaient appliquées sur le cerveau des patients.
Plus récemment, les progrès de l'informatique et de la physique ont permis l'émergence de différentes techniques d'imagerie cérébrale, parmi lesquelles la tomographie par émission de positons (TEP) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Connue également sous son appellation anglaise de PET Scan, la TEP a été la première technique d'imagerie cérébrale fonctionnelle à voir le jour dans le courant des années 1970 (voir "D'autres techniques de neuro-imagerie"ci-contre).
S'appuyant sur un phénomène physiologique général, l'augmentation du débit sanguin cérébral dans les territoires activés (voir "Vasodilatation locale des capillaires sanguins cérébraux" ci-contre), la TEP consiste grosso modo à identifier ces régions en quantifiant la radioactivité locale cérébrale résultant de la présence d'eau radio-isotopiquement marquée et injectée au patient (il est possible de marquer d'autres molécules, neurotransmetteurs, témoins du métabolisme dont le comportement biologique est connu). En effet, quand l'homme réalise certaines fonctions (parler, lire, bouger, penser), des aires spécifiques de son cerveau s'activent. On y observe alors une augmentation du débit sanguin local. Après le traitement informatique des données ainsi collectées, cette technique fournit des informations quant à l'anatomie fonctionnelle du cerveau.
Pour sa part, l'IRM utilise le phénomène de la résonance magnétique nucléaire (RMN), une technique de spectroscopie découverte fin 1945 par deux équipes de Harvard et Stanford. Celle-ci repose sur l'utilisation des propriétés magnétiques des noyaux des atomes. Rappelons que ces derniers se comportent comme des aiguilles aimantées. Aussi changent-ils d'orientation lors de l'application d'une onde électromagnétique de fréquence adaptée et émettent-ils des signaux lorsqu'ils retrouvent leur position d'origine. Dès lors, la mesure des très faibles aimantations des tissus permet de visualiser la structure anatomique d'un organe. On parle alors d'IRM anatomique.
Depuis une quinzaine d'années, l'IRM est aussi devenue "fonctionnelle". C'est encore l'augmentation de débit sanguin produit par l'activation qui est en jeu, mais ici c'est l'aimantation de l'hémoglobine contenue dans les globules rouges du sang qui va permettre à l'IRMf de détecter cette augmentation locale et transitoire du débit sanguin. Cette méthode s'est imposée sur la TEP, bénéficiant de l'augmentation de la vitesse d'acquisition et de traitement des données et de l'absence de radioactivité. Une autre modalité de l'IRM, apparue il y a une vingtaine d'années, l'IRM dite de "diffusion", permet de mesurer les mouvements des molécules d'eau qui reflètent la présence d'obstacles à l'échelle microscopique (membranes, fibres...), d'où la possibilité d'établir l'architecture fine du tissu neuronal et de ses variations.
Un trio américain dans le très haut champ
Aujourd'hui, l'imagerie fonctionnelle est un domaine qui connaît un essor important dans le monde entier. Utilisée de plus en plus couramment en milieu hospitalier, cette technique a permis par ailleurs aux chercheurs d'accroître considérablement leurs connaissances sur le fonctionnement du cerveau. Grâce à elle, les maladies neurodégénératives comme la maladie de Parkinson, caractérisée par la perte de neurones dopaminergiques, et la chorée de Huntington, qui se traduit par une atteinte précoce des récepteurs de la dopamine et une baisse de la consommation de glucose, ou encore l'autisme, la schizophrénie, l'épilepsie, voire la dépression ont fait et font l'objet de nombreuses études.
A ce jour, il existe entre 12.000 et 13.000 imageurs IRM dans le monde. Seuls un peu plus de 350 d'entre eux ont un champ magnétique d'au moins 3 Tesla [1], ce qui offre plus de sensibilité pour mener des études sur le cerveau selon les spécialistes. Précisons que les appareils dont la puissance ne dépasse pas 1,5 T sont installés essentiellement en milieu hospitalier ou dans les cliniques privées, même s'ils sont utilisés aussi bien pour la recherche qu'à des fins de diagnostics, du moins aux Etats-Unis et au Japon, leur usage en France étant réservé presque exclusivement aux examens médicaux.
Au-delà, dans un domaine que les spécialistes appellent les "très hauts champs", quelques machines à 4 T sont opérationnelles, en particulier outre-Atlantique, à l'université du Minnesota, à Minneapolis. Seule une quinzaine de machines dans le monde, déjà installées ou en projet, disposent d'une puissance de 7 T, dont quasiment la moitié sont aux Etats-Unis, en particulier au NIH (National Institutes of Health) de Bethesda et au MIT (Massachusetts Institute of Technology) de Boston. Les Etats-Unis ont compris très tôt les enjeux et les retombées potentielles de ces techniques d'imagerie. D'où la création dès 2002, au sein du NIH, du National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering.
En Europe, les systèmes à 7 T sont situés principalement en Allemagne (Magdebourg, Essen, Leipzig, Tubingen), puis en Suisse (Zurich, Lausanne), en Grande-Bretagne (Nottingham), la France abritant ce type d'installation depuis septembre 2006 au sein de la plate-forme NeuroSpin. Sinon, deux autres pays dans le monde disposent également d'IRM de cette puissance, la Corée du Sud, à Séoul, et le Japon, à Nigata. Pour autant, il faut souligner que les Japonais ont pris du retard dans le domaine des très hauts champs, au-delà de 3 T. Ils ont en effet beaucoup misé sur les bas champs, principalement en raison de l'existence d'un marché des aimants permanents au niveau national.
Quant au "podium" de l'IRM à très haut champ, il est monopolisé aujourd'hui par les Américains, en l'occurrence l'université de l'Ohio qui possède une IRM 8 T, l'université de Chicago qui dispose d'un imageur à 9 T, la première place revenant à l'université du Minnesota avec un appareil d'une puissance de 9,4 T qui vient d'être installé. Désormais, il faudra attendre 2009-2010 pour voir ce classement bouleversé avec l'arrivée d'un équipement exceptionnel de 11,7 T, actuellement en développement dans le cadre d'un programme de R&D franco-allemand (ISEULT), qui sera installé dans la troisième arche de NeuroSpin. "Certes, la conception d'un tel outil ne représente pas vraiment une rupture technologique, mais plutôt une extension aux limites, même s'il reste des défis à surmonter.
Cela dit, il bénéficiera d'améliorations technologiques significatives. Par exemple, il ne fonctionnera pas à - 269 °C mais à - 271 °C, ce qui implique de maîtriser la technologie de l'hélium superfluide. Autre particularité : l'aimant intégrera notamment un blindage actif qui permettra de confiner et renforcer le champ magnétique. Pour un aimant de cette puissance, il s'agit d'une première mondiale", explique Denis Le Bihan, directeur de NeuroSpin.
Les Japonais pourraient également venir bouleverser le classement mondial puisqu'ils ont en projet de construire un grand centre de RMN de type NeuroSpin qui abritera en particulier un aimant de 11,7 T. Ira-t-on au-delà ? Rien ne l'empêche. Mais sans doute faudra-t-il alors faire un saut en optant pour la technologie du niobium-étain, plus difficile à manipuler et surtout plus coûteuse. "NeuroSpin compte en tout six arches, une pour la logistique et quatre qui abritent des aimants. Dans la sixième, sera installé un aimant de 17,85 T destiné à l'étude du petit animal. Quant à la cinquième, aujourd'hui vide, nous espérons bien y installer un autre aimant. Mais nous attendons de voir comment se comportera l'aimant de 11,7 T. C'est seulement à la lecture des résultats de cette machine que nous pourrons décider de poursuivre plus haut ou de rester prudent", résume le directeur de NeuroSpin qui a déjà dans ses cartons un projet de champ magnétique très l 'é l original et totalement différent. Mais pour l'éminent spécialiste de la neuro-imagerie et des neurosciences qu'est Denis Le Bihan, il n'est pas question d'en dire davantage (voir "Jusqu'à 17,65 T chez l'animal" ci-contre).
Appréhender le cerveau à l'échelle de 1.000 à 10.000 neurones
Ces nouvelles machines qui arrivent ont un potentiel très important. Le champ magnétique de leur aimant étant en effet plus élevé, les chercheurs vont pouvoir récupérer davantage de signal et ne pas se limiter à travailler sur le noyau de la molécule d'eau. Aussi pourront-ils utiliser d'autres noyaux comme le carbone 13, le phosphore 31 ou encore l'oxygène 17. D'autre part, la très grande précision des images que les chercheurs sont en droit d'attendre de ces appareils à très haut champ qu'ils souhaitent par ailleurs pousser jusqu'à leurs limites devrait aboutir à l'émergence de gigantesques bases de données qu'il va falloir exploiter. Or pour y parvenir, ils devront disposer de modèles informatiques de l'anatomie et du fonctionnement du cerveau. Ce n'est qu'en réalisant cet énorme, mais indispensable, travail de recherche sur la méthodologie que les spécialistes des neurosciences pourront alors véritablement franchir de nouvelles étapes dans la compréhension du fonctionnement du cerveau et de ses pathologies.
Alors peut-être Denis Le Bihan pourra développer le projet auquel il tient tout particulièrement : découvrir si le cerveau fonctionne avec un code particulier, le "code neural", autrement dit comprendre comment l'information est codée dans cet organe si étonnant. "Pour espérer y parvenir, il sera nécessaire d'observer le cerveau à une échelle d'environ 1.000 à 10.000 neurones, une échelle intermédiaire entre celle à laquelle nous travaillons aujourd'hui, représentant des millions de neurones, et celle constituée de quelques neurones que nous pourrions appréhender à l'aide d'électrodes.
Or avec NeuroSpin, nous avons les outils qui permettent d'approcher cette échelle et voir ce qui s'y passe", s'enthousiasme Denis Le Bihan.
