Imager l’activité cérébrale en 4D grâce aux ultrasons

04 septembre 2019

Le laboratoire Physique pour la Médecine (unité Inserm 1273 / ESPCI Paris / PSL Université / CNRS) a développé une méthode inédite d’imagerie 4D fonctionnelle ultrasonore permettant d’enregistrer l’activité vasculaire du cerveau dans l’ensemble de son volume. Cette méthode, dont la mise au point a nécessité près de sept années de travail, représente un très grand potentiel pour la recherche en neuroscience. Les résultats sont parus dans la revue Nature Methods.

Le contexte

En 2011, l’équipe du laboratoire Physique pour la Médecine – dirigé par Mickael Tanter – introduisait l’échographie ultrarapide comme nouvelle modalité d’imagerie en neurosciences, en obtenant les 1ères images de l’activité cérébrale chez le rongeur, par imagerie fonctionnelle ultrasonore (fUS). La sensibilité de cette nouvelle technique étant cinquante fois plus élevée que l’échographie standard, l’échographie ultrarapide permettait ainsi la détection des variations de flux sanguins cérébraux liés à l’activité neuronale.

Cependant, l’une des principales limites de cette technique demeure la restriction à l’imagerie en 2D (vue en coupe)… Or, une imagerie 3D (vue en volume) est indispensable pour fournir une vue globale du cerveau et étudier les réseaux cérébraux !

Les résultats

Depuis, les membres du laboratoire ont décidé de relever ce défi afin de prouver que l’imagerie fUS pouvait fournir une imagerie volumétrique et dynamique de l’activité cérébrale. Et pour aller plus loin, ils ont tenté d’étendre cette technique de fUS à de l’imagerie en 4D (3 dimensions spatiales + 1 dimension temporelle), qui a notamment nécessité le développement d’un prototype d’échographe ultrarapide à très grand nombre de canaux électroniques, capable de piloter un prototype de sonde ultrasonore matricielle pour réaliser des acquisitions à plus de 5000 volumes par seconde.

La mise au point de séquences d’émissions ultrasonores (utilisant des méthodes d’encodage spatiotemporel) et de post-traitements innovants a été nécessaire afin de contrebalancer la faible sensibilité inhérente aux sondes matricielles par rapport aux sondes ultrasonores classiques d’imagerie 2D.

L’ensemble de ces développements méthodologiques sont expliqués et validés dans l’étude à l’aide de trois expériences illustratives chez le rat : imagerie cérébrale complète de stimuli multi-sensoriels, imagerie de connectivité fonctionnelle en trois dimensions, et enfin suivi 4D de la propagation de crises de type épileptique.

Les perspectives

Pour les membres de l’équipe, l’imagerie 4D fonctionnelle ultrasonore représente un immense potentiel pour la recherche en neuroscience, puisqu’elle permet pour la 1ère fois l’enregistrement de l’activité vasculaire du cerveau dans tout le volume pour l’étude des réseaux de connections à l’échelle du cerveau entier et le suivi d’événements cérébraux transitoires.

En médecine, un impact important est également envisageable : l’équipe a pour ambition d’appliquer l’imagerie fonctionnelle ultrasonore 4D en clinique, notamment en néonatalogie où la technique pourrait révolutionner la prise en charge des nouveau-nés via un diagnostic précoce des troubles neuro-développementaux.

Références

Physique pour la Médecine (unité Inserm 1273 / ESPCI Paris / PSL Université / CNRS)

4D functional ultrasound imaging of whole-brain activity in rodents, Nature Methods (C. Rabut, M. Correia, V. Finel, S. Pezet, M. Pernot, T. Deffieux, M. Tanter)

Ces travaux ont été réalisés avec le soutien de l’ERC (European Research Council), le programme européen Human Brain Project et le Fonds Axa pour la Recherche.


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