Comprendre Le Cerveau

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    14-Feb-2015

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<p>RMN, magntisme et sant</p> <p>Comprendre le cerveau par limageLtude structurelle et fonctionnelle du cerveau a connu un dveloppement fulgurant ces dernires annes grce aux mthodes dimagerie, dont notamment limagerie par rsonance magntique (IRM). Une vritable cartographie anatomique et fonctionnelle du cerveau a ainsi pu tre dresse en visualisant ses zones actives lorsquelles sont sollicites au cours de lexcution dune tche donne. Pour voir le cerveau penser et mieux comprendre les dysfonctionnements crbraux, une des mthodes consiste suivre en direct les modulations du dbit sanguin lies lactivit crbrale. Il est galement possible de mesurer, lchelle microscopique, les mouvements des molcules deau du cerveau et tablir ainsi larchitecture fine du tissu neuronal et de ses variations. Dautres molcules dintrt biologique impliques dans le mtabolisme renseignent galement sur les pathologies crbrales. Le dveloppement dIRM champ magntique intense permettra dobserver le cerveau et ses pathologies avec une prcision encore plus fine, une chelle plus reprsentative des phnomnes qui laniment.</p> <p>ss</p> <p>sA. Gonin/CEA</p> <p>Systme IRM 3 T de NeuroSpin. Les techniques dimagerie par rsonance magntique se rvlent particulirement bien adaptes ltude non traumatique dorganes profonds, rputs difficiles daccs, tels que le cerveau.</p> <p>38</p> <p>CLEFS CEA - N 56 - HIVER 2007-2008</p> <p>Les applications cliniques de limagerie par rsonance magntiqueLimagerie par rsonance magntique (IRM) est maintenant loutil majeur du diagnostic et du suivi thrapeutique de multiples pathologies en particulier crbrales, tous les ges de la vie, du fait de son innocuit, de sa facilit dutilisation et de la prcision des rsultats fournis.imagerie par rsonance magntique (IRM) se L rvle particulirement bien adapte ltude non traumatique dorganes profonds, rputs difficiles daccs, tels que le cerveau (Mmo C, Les principales techniques dimagerie mdicale, p. 36). En effet, lIRM anatomique (IRMa) permet dobtenir des images en haute rsolution spatiale sur larchitecture du cerveau, lIRM de diffusion (IRMd) sur les connexions intracrbrales, lIRM fonctionnelle (IRMf) sur lactivit du cerveau, la spectroscopie (SRM) et limagerie spectroscopique (IRMs) sur les processus biochimiques (mtabolisme, neurotransmission), et langiographie (1) IRM (ARM) sur le systme vasculaire crbral. Des agents de contraste, comme par exemple les chlates (2) de gadolinium, peuvent tre employs pour mieux visualiser et caractriser certaines anomalies. LIRM haut champ magntique (3 T et plus) fournit des images de meilleure qualit et plus dinformations physiologiques que les IRM standard 1,5 T. Quelle que soit lintensit du champ magntique, aucun effet indsirable srieux na t mis en vidence ce jour, aprs environ 25 ans dutilisation de lIRM en clinique (prs de 8 millions dexamens IRM sont effectus par an en Europe), condition toutefois que les contre-indications soient strictement respectes, comme labsence dlments mtalliques dans le corps.</p> <p>Systme IRM de 3 T du SHFJ situ Orsay (Essonne). Limagerie neuro-fonctionnelle dtient aujourdhui une place unique en permettant lobtention dinformations in vivo et in situ sur le fonctionnement du cerveau, et ce, de manire non invasive.</p> <p>doprabilit , des maladies inflammatoires et infectieuses par lobservation de lvolution des anomalies de la substance blanche dans la sclrose en plaques, des encphalites du sida , ou du pronostic prcoce des traumatismes crniens graves</p> <p>Les apports de lIRM ltude du cerveauVirtuellement, toutes les pathologies neurologiques de ladulte ont vu leur diagnostic rvolutionn par lavnement de lIRM, quil sagisse des maladies neurodgnratives par exemple, par la visualisation prcise de latrophie progressive de la partie profonde du lobe temporal dans la maladie dAlzheimer, de certains noyaux gris centraux (3) dans la maladie de Huntington , des accidents vasculaires crbraux visualiss ds les premires heures grce lIRM de diffusion , des tumeurs crbrales par lapprciation de leur degr dagressivit, de leur sensibilit aux chimiothrapies, de leur rcidive ventuelle , des pilepsies par la visualisation de lsions microscopiques ou de malformations sous-jacentes, lapprciation des critres(1) Angiographie : technique dimagerie des vaisseaux sanguins par radiographie X impliquant linjection au sujet dun produit de contraste. (2) Chlate (du grec khl signifiant pince) : complexe chimique form par un ligand (le chlateur) et un cation (ou un atome) mtallique (dit chlat) fix au chlateur par au moins deux liaisons de coordination, la manire dune pince. (3) Noyaux gris centraux : regroupements de substance grise situs au plus profond du cerveau et qui grent certaines fonctions vitales, ainsi que la mmoire.</p> <p>Un outil de choix pour lenfantLinnocuit et la capacit dadaptation de lIRM en font galement loutil de choix pour le diagnostic chez lenfant ds la priode prnatale. LIRM ftale est systmatiquement pratique en cas de suspicion danomalie lchographie pendant la grossesse, car elle permet une analyse plus fine du ftus, notamment au niveau crbral. Chez lenfant, lIRM est pratique en routine mais elle ncessite une parfaite immobilit et requiert donc une sdation chez lenfant non cooprant. Son apport est majeur dans toutes les pathologies neuropdiatriques, de la souffrance prinatale (accident pr- ou per-natal) aux maladies gntiques du systme nerveux central, comme les leucodystrophies maladies dgnratives de la substance blanche , en passant par toutes les pathologies retrouves chez ladulte, mais ayant dbut dans lenfance.</p> <p>Image IRM du cerveau dune femme avec une pilepsie depuis lenfance lie une malformation vasculaire du lobe occipital droit (en blanc sur limage).</p> <p>Un besoin dinstruments plus sensiblesIl ne faut toutefois pas oublier que lIRM peut rester apparemment normale dans nombre de pathologies pourtant trs invalidantes, telles que certaines maladies psychiatriques (dpression, schizophrnie,CLEFS CEA - N 56 - HIVER 2007-2008</p> <p>P. Stroppa/CEA</p> <p>39</p> <p>RMN, magntisme et sant</p> <p>Image de cerveau humain acquise avec le systme IRM de 7 T du centre NeuroSpin. LIRM trs haut champ magntique permet dobtenir des contrastes inaccessibles plus bas champ.</p> <p>imageurs trs haut champ magntique, comme le 7 T du centre NeuroSpin et lavenir le 11,7 T ou danalyse laide dapproches morphomtriques, qui tudient les variations anatomiques crbrales non visibles lil nu au moyen dalgorithmes statistiques, tel le logiciel BrainVisa dvelopp au CEA. Ainsi, depuis son avnement en clinique la fin des annes 1970 ( des champs magntiques de 0,5 T !), lIRM na cess de dmontrer au fur et mesure son immense potentiel pour le diagnostic et le suivi thrapeutique des maladies crbrales, ce qui rend dautant moins acceptable la carence massive du parc dIRM cliniques en France ce jour. Lamlioration du diagnostic par limagerie permet une prise en charge plus prcoce et plus efficace, et donc une rduction des cots de soins. Le dfi de la mdecine de demain sera de diagnostiquer toujours plus tt, avant le dbut des signes cliniques, et de prvenir la survenue des maladies. Limagerie y a dj trouv une place prpondrante, en association avec dautres outils (gntiques, physiologiques).</p> <p>autisme), voire neurologiques (maladie de Parkinson, certaines pilepsies, retards mentaux). Cest l entre autres que portent dimportants efforts de recherche, afin de dvelopper de nouvelles mthodes dacquisition des images notamment avec des</p> <p>NeuroSpin/CEA</p> <p>&gt; Lucie Hertz-Pannier Institut dimagerie biomdicale NeuroSpin Direction des sciences du vivant CEA Centre de Saclay</p> <p>Limagerie par rsonance magntique fonctionnelle sensible au dbit sanguinLa mesure de laugmentation locale et transitoire de dbit sanguin dans les zones crbrales actives, reflet indirect du fonctionnement des neurones, permet de produire des images avec une grande prcision anatomique et temporelle.calcul et langage tches visio-spatiales mouvement de la main saisie manuelle calcul seul attention seule saccades seules</p> <p>Limagerie par rsonance magntique fonctionnelle permet la localisation des zones crbrales actives lors dune tche.</p> <p>imagerie par rsonance magntique fonctionL nelle (IRMf) est une application de limagerie par rsonance magntique ltude du fonctionnement du cerveau (Mmo C, Les principales techniques dimagerie mdicale, p. 36). Elle repose sur le principe selon lequel lafflux de sang oxygn augmente dans les zones crbrales actives.</p> <p>Mesurer laccroissement de flux sanguinLIRMf consiste alterner des priodes dactivit (par exemple, bouger les doigts de la main droite) avec des priodes de repos, tout en acqurant des images</p> <p>de lintgralit du cerveau toutes les 1,5 6 secondes (correspondant la rsolution temporelle moyenne classiquement utilise en recherche). La localisation des zones crbrales actives est base sur leffet BOLD (Blood-Oxygen-Level Dependent), li laimantation de lhmoglobine contenue dans les globules rouges du sang. Lhmoglobine se trouve sous deux formes. Les globules rouges oxygns par les poumons contiennent de loxyhmoglobine, molcule non active en RMN, et les globules rouges dsoxygns par les tissus renferment de la doxyhmoglobine, qui est dote de proprits paramagntiques et est donc visible en RMN.</p> <p>40</p> <p>CLEFS CEA - N 56 - HIVER 2007-2008</p> <p>CEA</p> <p>1</p> <p>1</p> <p>0</p> <p>0 0 5 10 15 1 1 0 5 10 15</p> <p>0</p> <p>0 0 5 10 15 0 5 10 15CEA</p> <p>Dans les zones actives par la tche, un petit accroissement de la consommation doxygne par les neurones est surcompens par une large augmentation de flux sanguin. Il en rsulte une diminution de la concentration de doxyhmoglobine. Vu les proprits paramagntiques de cette dernire, le signal IRM (temps de relaxation des noyaux dhydrogne de leau) saccentue lgrement pendant les priodes dactivation. Ce sont ces faibles augmentations de signal (quelques pour cent) qui sont mesures en IRMf grce des squences dimagerie rapides dites cho-planaires. Ces faibles fluctuations rendent le problme de la dtection/localisation des activations crbrales difficile et ncessitent des mthodes statistiques puissantes (1) pour tre mises en vidence.</p> <p>cerveau dans un rfrentiel commun. La normalisation permet dtirer limage de chaque cerveau de telle sorte quil ressemble un cerveau standard.</p> <p>La modlisation du signal BOLDUn modle paramtrique explicatif des donnes est ajust en chaque voxel. Pour des raisons de simplicit, ce modle est linaire au sens o il sagit dune fonction linaire vis--vis des paramtres identifier, et dcrit la variabilit des donnes selon trois composantes : les effets exprimentaux induits par la stimulation (ceux qui intressent le mdecin), les effets confondants (par exemple des artfacts physiologiques) et la variabilit rsiduelle (inexplique par le modle et associe au bruit dacquisition). Les effets exprimentaux sont dfinis par la convolution de lactivit neuronale putativement voque par le paradigme exprimental (2), avec un filtre hmodynamique reprsentant la rponse BOLD typique. La nature exacte de cette rponse ntant pas parfaitement connue, un modle moyen a t choisi empiriquement, mais certaines approches innovantes permettent de lestimer partir des donnes et ainsi de prendre en compte les variabilits rgionale et interindividuelle lies la topographie du rseau microvasculaire crbral. Le modle linaire gnral produit une carte dactivit dcrivant les rgions du cerveau dans lesquelles le paradigme exprimental a engendr une augmentation significative du signal observ (figure 1).(1) Parmi elles, la cartographie statistique paramtrique (Statistical Parametric Mapping). (2) Paradigme exprimental : procdure mthodologique qui constitue un modle de rfrence.</p> <p>Figure 1. Variabilit spatiale intraindividuelle du filtre hmodynamique. En bleu, estimation rgionale de ce filtre dans diffrentes aires auditives (gyrus de Heschl, aires primaires, secondaires et aire de Broca). En rouge, forme canonique habituellement considre dans la modlisation du signal BOLD. Au centre, coupe axiale basse (z = 0 mm) montrant les activations bilatrales des stimulations auditives (coute de phrases).</p> <p>Les tapes de prtraitement des donnesLes donnes obtenues doivent tout dabord tre prtraites, cest--dire successivement corriges des distorsions gomtriques (artfacts de susceptibilit magntique), du mouvement Les images tant acquises diffrents instants (srie temporelle), le sujet, allong dans le scanner, peut bouger dun volume lautre. Une tape de ralignement permet destimer les mouvements et daligner les images fonctionnelles entre elles, si le mouvement nest pas trop grand. La mise en correspondance anatomofonctionnelle conduit ensuite recaler chez un sujet son image anatomique sur ses donnes fonctionnelles. Enfin, la normalisation spatiale est la cl pour prendre en compte les variabilits crbrales interindividuelles et raliser des analyses statistiques de groupe. Puisque diffrents sujets participent une exprience, il est en effet ncessaire de plonger leur</p> <p>CLEFS CEA - N 56 - HIVER 2007-2008</p> <p>41</p> <p>RMN, magntisme et sant</p> <p>Variabilit interindividuelle. Cette image montre lactivit enregistre chez trois sujets pour une tche de soustraction, en surimposition sur un maillage de la surface sparant la matire grise de la matire blanche. Il est possible dobserver la fois la variabilit des formes des diffrents cerveaux et la variabilit des zones actives par la tche de soustraction. Il convient donc de chercher comprendre ce qui est commun ces diffrents sujets, en quoi la variabilit fonctionnelle est corrle la variabilit anatomique, et dans quelle mesure ces variabilits peuvent tre apprhendes en fonction de facteurs gntiques, comportementaux ou dmographiques.</p> <p>Lanalyse statistiqueEnfin, il convient dtablir, au niveau de la population, quelles sont les rgions du cerveau dans lesquelles une augmentation du signal est obtenue. Cette analyse vise gnraliser les rsultats acquis sur un chantillon de dix vingt sujets au reste dune population. Elle se heurte la variabilit couramment observe entre les cerveaux, la fois anatomique et fonctionnelle. La comprhension de ces diffrentes sources de variabilit en termes dinformations com-</p> <p>portementales ou gntiques est un dfi trs important pour les prochaines annes. En particulier, elle est essentielle pour mieux apprhender leffet associ diffrentes pathologies, neurodgnratives ou psychiatriques, et donc faciliter leur diagnostic.</p> <p>&gt; Philippe Ciuciu et Bertrand Thirion * Institut dimagerie biomdicale NeuroSpin Direction des sciences du vivant CEA Centre de Saclay * et Inria Futurs Orsay</p> <p>Limagerie par rsonance magntique de diffusion : du mouvement brownien aux images de la penseLa mesure du mouvement des molcules deau (qualifi de brownien) dans le tissu crbral permet la dtection rapide de lactivation des neurones.u cours des 30 dernires annes, la neuro-imageA rie fonctionnelle est apparue comme une approche incontournable pour tudier le cerveau, principalement avec la tomographie par mission de positons (TEP)...</p>