Comprendre le cerveau…

Le voile se lève peu à peu sur le cerveau humain. Exploitant différentes techniques émergentes d’imagerie par résonance magnétique, des chercheurs du MIT et des spécialistes RM de Siemens sont sur le point de découvrir comment identifier précocement les zones cérébrales affectées par un AVC. Les recherches s’intéressent également aux signaux produits par des molécules associées à d’autres affections, telle que la maladie d’Alzheimer, ouvrant la voie à de nouvelles perspectives de traitement

IRM
Grâce aux avancées des technologies de transfert de données, les dépressifs profonds apprennent à contrôler leur état à partir d’une représentation graphique presque instantanée, obtenue au cours de l’IRM.

Imaginez un véhicule sans commandes visibles, évoluant au travers d’un obscur mélange de substances biochimiques et qui vous amène pourtant à bon port. Notre esprit fonctionne un peu sur ce modèle. À un instant donné, s’exécutent dans notre tête d’innombrables processus dont nous ne sommes pas conscients et qu’il nous est impossible de contrôler objectivement. En règle générale cela ne pose aucun problème, mais à la moindre défaillance – grave dépression, anxiété, troubles obsessionnels compulsifs… –, les séances de psychothérapie et les médicaments aux multiples effets secondaires sont notre seul recours.

Une nouvelle approche se profile cependant. Centrée sur le patient, elle pourrait éviter d’éventuelles thérapies onéreuses. En partenariat avec Siemens, des scientifiques du McGovern Institute for Brain Research du MIT (Massachusetts Institute of Technology) de Boston travaillent au développement d’outils permettant aux patients de maîtriser leur état en modulant délibérément certains processus normalement incontrôlables.

Dompter l’amygdale

Prenons l’exemple de la dépression. Ce trouble peut d’ores et déjà être diagnostiqué par IRM. « Nous savons que si les patients dépressifs répondent à leur traitement, leur amygdale – une structure en forme de double amande située à l’arrière des tempes – présente une activité réduite », explique le Dr John Gabrieli, professeur de sciences de la santé, technologie et neurosciences cognitives au MIT et Directeur du centre d’imagerie Athinoula A. Martinos de l’institut McGovern. Le centre Martinos collabore avec Siemens pour offrir aux patients une représentation quasi-immédiate (sous forme de thermomètre) de l’activité de leur amygdale leur permettant de visualiser littéralement sa modulation en vue de combattre leur dépression, dans le  cadre d’examens d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). « Nous avons démontré que les patients peuvent apprendre à maîtriser ce processus de modulation. Dans la pratique, plusieurs aspects techniques entrent toutefois en jeu,tels que la réactivité de la représentation visuelle », précise John Gabrieli.

IRM

Pour garantir une traduction graphique des données presque instantanée avec la technologie de résonance magnétique – qui se distingue par sa lenteur — le Dr Christina Triantafyllou, co-Directrice et physicienne IRM en chef du centre Martinos, a étroitement travaillé avec Siemens. « L’objectif était de transmettre le plus rapidement possible les données du scanner vers un ordinateur externe, de les traiter, puis d’en fournir une représentation visuelle au patient. Nous avons, pour ce faire, conçu un système de transfert de données en temps réel capable de prendre en charge les flux d’informations conséquents produits par une antenne crâne en réseau phasé à 32 canaux. Nous avons, de plus, utilisé un algorithme Siemens de correction du mouvement afin de réduire les contraintes de post-traitement, ainsi qu’un prototype Siemens partede logiciel temps réel compensant la distorsion géométrique et accélérant la génération de la représentation. Un décalage de cinq secondes subsiste néanmoins, en raison de la réponse hémodynamique du cerveau au stimulus », commente-t-elle. Cette technologie pourrait à terme permettre aux patients de contrôler leurs pulsions (tabagiques, alimentaires, etc.), de gérer certaines formes de douleur et même d’améliorer leur concentration. Au-delà de ses futures applications, elle constitue sans conteste un précieux outil pour le développement des systèmes IRM de prochaine génération.

Images haute résolution

 Des efforts conjoints de Siemens et du MIT est également né un réseau d’émetteurs RF. « Ce projet est extrêmement prometteur », déclare Michael Hamm, responsable du groupe de recherche RM de Siemens à Boston. « Normalement, on envoie une seule fréquence radio dans le corps afin de générer une image des signaux produits par la modification des noyaux d’hydrogène (protons). Avec ce réseau comportant plusieurs émetteurs, différentes fréquences, ou impulsions, peuvent être émises en parallèle. Leur superposition permet de raccourcir la durée d’excitation, favorisant la clarté et la fiabilité des images en présence de champs plus puissants. » Le résultat gagne en qualité puisque ce réseau peut adapter le profil d’excitation du signal MR et compenser ainsi les hétérogénéités. « Cette approche est l’un des éléments clés de notre collaboration avec Siemens », indique le Dr Elfar Adalsteinsson, professeur de technologies et sciences de la santé et d’informatique et électrotechnique au MIT. « Son déploiement représente un grand pas pour l’imagerie du corps humain au vu de ses multiples applications. »

Un autre projet conjoint de Siemens et du MIT, visant à accélérer les acquisitions tout en garantissant des images de résolution supérieure, concerne l’interception des signaux RM renvoyés par le corps. Pour obtenir une image du cerveau d’un patient, par exemple, on place la tête de ce dernier dans une antenne. Chacun des éléments de l’antenne reçoit sur son propre canal un signal des tissus environnants. « La multiplication des éléments d’antenne, combinée aux nouvelles techniques d’acquisition, va de pair avec l’augmentation de la rapidité et de la résolution », souligne Michael Hamm. « Dans le cas de zones superficielles, un prototype à 128 éléments d’antenne peut multiplier par sept la vitesse de traitement du signal par rapport à un système classique à 24 éléments. »

Les images hautes résolution offrent des avantages potentiels aux médecins comme aux patients. Avant de procéder à une opération du cerveau, le chirurgien a notamment besoin de connaître l’emplacement précis du cortex visuel. « Nous avons réalisé une comparaison entre une antenne crâne à 12 canaux et un modèle à 32 canaux », observe Christina Triantafyllou. « Il nous a fallu 5 balayages avec la version 12 canaux pour déterminer les frontières fonctionnelles du cortex visuel, contre 1 seul avec l’antenne 32 canaux, soit une durée d’examen réduite de 24 à 4 minutes. »

Les troubles mentaux en image

Grâce aux progrès en matière de durée d’acquisition et de résolution des images, dus au recours à des antennes émettrices en parallèle et au traitement des informations via un nombre croissant de canaux, sans oublier les avancées techniques des scanners IRM, les chercheurs commencent à exploiter la cartographie du cerveau pour identifier de manière objective les signatures uniques de l’activité caractérisant différents états psychologiques. Par exemple, en association avec Siemens et le Massachusetts General Hospital de Boston, Christina Triantafyllou a utilisé une antenne Siemens spécifique à 32 canaux pour examiner des enfants souffrant de dyslexie, d’autisme et de trouble déficitaire de l’attention avec hyperactivité (TDAH). « Le but était de documenter le développement de la signature RM de chacune de ces affections dans le temps afin de gagner en précision diagnostique », explique-t-elle.

Elle étudie également les signatures RM, avec John Gabrieli, pour déterminer s’il est possible de prédire la réponse d’un enfant dyslexique au traitement. « Certains d’entre eux s’améliorent nettement, d’autres non. Mais les tests classiques n’ont aucun caractère prédictif », précise John Gabrieli. « Avec l’imagerie, nous avons pu déterminer avec une précision de 92 % quels enfants allaient le mieux réagir. Il s’agit d’une médecine basée sur des preuves tangibles, exploitant le développement de signatures IRMf, fortement prédictives d’amélioration dans le cadre de certains troubles. Nous pouvons quantifier numériquement les zones du cerveau affectées et comparer les résultats. L’impact social et financier de cette nouvelle discipline est immense. »

Signes de perte de mémoire liée à l'âge
Crédit photo :MIT/Courtesy of C. Triantafyllou. Des signes de perte de mémoire liée à l’âge ? Les technologies Siemens ont permis aux chercheurs du MIT d’identifier la mémoire de travail (en rouge) avec une précision et une rapidité inédites.

Localisation précoce des AVC ?

Les futures signatures objectives d’un éventail d’affections cérébrales se baseront sur des informations relevant de la répartition anatomique et de la quantification précises de processus physiologiques tels que l’oxygénation du sang – un sujet que le Dr Adalsteinsson et ses étudiants ont choisi d’approfondir à l’aide de scanners conçus par Siemens, qui soutient ces recherches.

« Si nous réussissions à quantifier la consommation d’oxygène du cerveau, nous pourrions traiter l’AVC en amont bien plus efficacement qu’aujourd’hui », affirme Elfar Adalsteinsson « Un radiologue pourrait ainsi identifier précisément les anomalies de cette consommation et recommander un traitement ciblé presque immédiatement. » Les implications sont colossales. Selon les dernières statistiques de l’American Heart Association, chaque année, près de 800 000 Américains sont en effet victimes d’un premier AVC ou d’un AVC récurrent, et on enregistre, en moyenne, un AVC toutes les 40 secondes aux États-Unis.

« Nous élaborons actuellement des modèles relatifs au taux de consommation d’oxygène du cerveau dans diverses zones et selon différentes tâches. Il nous faut quantifier les données en unités absolues de consommation d’énergie », expose Elfar Adalsteinsson. L’opération est néanmoins bien plus complexe qu’il n’y paraît : « L’IRM nous donne simplement la quantité d’eau d’une région déterminée, ce qui ne représente pas beaucoup d’informations. Mais certains facteurs locaux affectent le signal de façon subtile, notamment le taux de décroissance, qui peut être à son tour mis en relation avec les niveaux d’oxygénation par une modélisation précise. L’imagerie de sources cérébrales de signaux IRM sélectionnées de façon appropriée, suivie d’une évaluation des taux de décroissance caractéristiques associés, peut permettre de définir un modèle de consommation d’oxygène par le cerveau. Cependant, seuls des équipements IRM de haute qualité garantiront des résultats fiables. »

Bien que les molécules d’eau soient le principal composé répondant aux signaux RM, d’autres composés présentent des perspectives prometteuses en tant que source de diagnostic et d’informations. C’est le cas de la molécule N-acétyl-aspartate (NAA), qui, d’après Elfar Adalsteinsson, offre une signature des « neurones sains et heureux ». Chez les patients souffrant de lésions cérébrales, d’AVC ou d’Alzheimer, le signal du NAA s’atténue progressivement. Il pourrait ainsi être utilisé, par exemple, pour détecter les premiers signes de maladie ou suivre la réponse d’un patient au traitement.

« Nous explorons ces différentes voies avec Siemens et nos collègues du Massachusetts General Hospital. Il s’agit d’une parfaite illustration de ce qu’il peut ressortir d’une étroite collaboration entre le monde universitaire et le monde industriel. Nous avons besoin des ressources de l’industrie pour développer et déployer de nouvelles technologies, et c’est là que la synergie qui nous lie à Siemens prend tout son sens », conclut Elfar Adalsteinsson.

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Auteur : Arthur F. Pease