Nouvelles méthodes d'imagerie pour le cerveau

L'imagerie ultrasonore ultrarapide est une technique récente d'imagerie qui permet d'étudier l'activité cérébrale, grâce à la mesure des changements de volume sanguin dans les vaisseaux qui irriguent le cerveau.

Cette méthode d'échographie est basée sur l'effet Doppler : un faisceau d'ultrasons, émis par une sonde à une certaine fréquence, est envoyé vers le tissu ; une partie des ultrasons renvoyée par différents éléments du tissu, à des fréquences variables, est détectée par la sonde. La différence entre la fréquence émise et la fréquence réfléchie dépend de la vitesse de déplacement de la cible rencontrée dans le tissu, il est donc possible de détecter les hématies (globules rouges) en mouvement dans les vaisseaux sanguins.

Rappel sur le fonctionnement de l'échographie conventionnelle

On pourra retrouver le fonctionnement de l'imagerie ultrasonore conventionnelle dans le dossier sur l'imagerie médicale sur le site du CEA [1][2].

Vidéo de présentation de l'échographie ultrasonore Source : L'échographie ultrasonore, CEA [2].

L'échographie ultrasonore conventionnelle Source : Corinne Beurtey/CEA, Dossier sur l'imagerie médicale le site du CEA [1].

À l'origine, l'échographie conventionnelle n'était pas suffisamment sensible pour permettre d'étudier les vaisseaux du cerveau, car le crâne est une barrière difficile à franchir pour les ultrasons. Mais les développements technologiques récents ont permis de surmonter cette difficulté. L'échographie conventionnelle génère une image ligne par ligne, jusqu'à reconstituer un plan en deux dimensions, ce qui permet d'acquérir une cinquantaine d'images par seconde.

L'imagerie ultrasonore ultrarapide, qui permet de scanner l'ensemble du plan en une seule image, est capable d'acquérir plus de 10 000 images par seconde : cette haute résolution temporelle permet de détecter des variations de débit sanguin 50 fois plus faibles que sur les échographes conventionnels. Il devient ainsi possible de détecter le flux sanguin dans les petits vaisseaux du cerveau.

L'intérêt de cette technique réside dans le phénomène de “couplage neurovasculaire” : lorsqu'une région du cerveau est très active, l'apport local de sang est augmenté afin de répondre aux besoins énergétiques importants des neurones. Ainsi, mesurer les variations de quantité de sang dans le cerveau au cours du temps permet d'étudier indirectement l'activité du cerveau.

L'imagerie fonctionnelle ultrasonore est donc une technique de choix pour explorer le fonctionnement du cerveau, en conditions physiologiques ou pathologiques, et notamment pour mieux comprendre l'effet des médicaments du cerveau, figure 1 et vidéo associée figure 2.

Figure 1.  Imagerie fonctionnelle ultrasonore (fUS) pour l'étude de médicaments Source : Benjamin Vidal, données non publiées

Figure 2.  Vidéo d'imagerie fonctionnelle ultrasonore (fUS) pour l'étude de médicaments Source : Benjamin Vidal, données non publiées

L'image (A) est une représentation schématique de l'imagerie fonctionnelle ultrasonore chez un rat anesthésié.

En (B), cette technique d'échographie permet de mesurer sur un plan 2D (ici coronal) les changements de volume sanguin dans les vaisseaux du cerveau de petits animaux. Ces changements d'apport de sang se produisent suite à des changements d'activité cérébrale pour permettre de subvenir aux besoins énergétiques des régions très actives.

Sur la figure (C), on représente l'imagerie fonctionnelle ultrasonore du cerveau d'un rat au cours d'une période de repos (condition contrôle). On voit ici les différents vaisseaux du cerveau en blanc. La color bar sur le côté permet d'interpréter les changements et localisations des signaux. Il n'y a pas de variation du niveau de signal moyen, suggérant une activité cérébrale stable.

La figure (D) correspond à l'imagerie fonctionnelle ultrasonore chez le même rat après injection intraveineuse d'une molécule (n°1) qui modifie l'activité cérébrale par stimulation de certains récepteurs de la sérotonine. On constate ici une diminution du volume sanguin (en bleu) dans les vaisseaux irriguant des régions riches en récepteurs, notamment l'hippocampe et le cortex. La stimulation de ces récepteurs provoque localement une diminution de l'activité des neurones.

En (E), l'imagerie fonctionnelle ultrasonore chez le même rat après injection intraveineuse d'une molécule (n°2) capable de bloquer ces mêmes récepteurs à la sérotonine. On constate principalement une augmentation du volume sanguin (en rouge/jaune) dans les mêmes vaisseaux présents dans les zones riches en récepteurs, signe d'une augmentation de l'activité des neurones dans ces régions après blocage des récepteurs.

L'imagerie fonctionnelle ultrasonore est pour l'instant utilisée principalement comme outil de recherche préclinique chez le rat et la souris, car l'épaisseur du crâne chez l'humain continue d'être un élément limitant la qualité du signal.

Toutefois, de premières études prometteuses ont été réalisées dans le champ de la pédiatrie et de la neurochirurgie, et les développements technologiques devraient permettre d'élargir le champ d'application de la technique dans les prochaines années.