Un scanner IRM géant explore le cerveau humain

Pour ses 10 ans, le centre NeuroSpin de Saclay se dote de l’instrument le plus puissant au monde de recherche humaine avec son aimant de 11,7 teslas. Les chercheurs espèrent prouver l’existence d’un code neural, et ainsi mieux comprendre les pathologies neurologiques.

Lionel Quettier devant l'entrée du futur IRM 11,7 Teslas à NeuroSpin, au CEA.

Son périple aura duré trois semaines. Ce cylindre imposant de 5 mètres de diamètre sur 5 mètres de long a été acheminé par convoi exceptionnel, puis péniche spéciale, depuis l'usine Alstom-GE de Belfort jusqu'à NeuroSpin, au Commissariat à l'énergie atomique (CEA) de Saclay (Essonne). Livré fin mai, après une décennie de conception, cet aimant géant unique au monde destiné à explorer le cerveau humain est désormais aux mains d'une équipe de plus de 170 chercheurs prête à le mettre en route. Le 6 juillet 2017, il a été montré à la presse, lors d'un événement auquel participait Sciences et Avenir - voyez plus bas nos entretiens filmés à cette occasion avec l'ingénieur magnétisme Lionel Quettier et la directrice de l'Institut de recherche fondamentale sur les lois de l'Univers du CEA, CEA-Irfu.

Ce scanner IRM (imagerie par résonance magnétique) à 11,7 teslas (voir lexique en gris, à la fin de cet article) est la pièce maîtresse du projet franco-allemand Iseult (lire l'encadré p. 78), fruit d'une collaboration entre le CEA, Guerbet (fabricant d'agents de contraste pour l'imagerie), l'université de Fribourg (Allemagne) et le constructeur Siemens. "Grâce à lui, nous espérons décrypter le “code neural” du cerveau, par analogie avec le code génétique", s'enthousiasme Denis Le Bihan, fondateur et directeur de NeuroSpin qui, avec ce nouvel instrument de recherche, fête dignement ses 10 ans.

"Cette machine vient combler un manque. Les neurosciences en avaient besoin ", explique le scientifique. Rappelons qu'un scanner IRM - tel qu'on en trouve dans de nombreux hôpitaux et cliniques - permet de visualiser les " tissus mous " (riches en eau) grâce à la création d'un champ magnétique puissant et homogène. "Les scanners IRM “standards” de 1,5 à 3 teslas permettent d'observer le cerveau humain à une échelle millimétrique, c'est-à-dire de millions de neurones, poursuit Denis Le Bihan. À l'autre bout du spectre, nous disposons aussi à NeuroSpin, pour la recherche, d'un scanner IRM 17 teslas qui permet de voir les neurones de manière individuelle chez l'animal (le diamètre intérieur disponible n'étant que de 8 centimètres). Il nous manquait une échelle intermédiaire".

Découvrir la structure spatiale interne du cortex

Depuis les années 2000, Denis Le Bihan et les chercheurs du CEA se sont donc attelés à imaginer ce nouveau concept d'IRM. "Il nous fallait un instrument donnant accès chez l'humain à l'échelle dite mésoscopique, c'est-à-dire des images d'une résolution d'un dixième de millimètre, soit quelques milliers de neurones", poursuit le chercheur. Car c'est uniquement à cette échelle que l'on pourra explorer précisément la structure du cortex, cette fine couche plissée qui recouvre les deux hémisphères du cerveau, siège de nos fonctions cognitives. "L'objectif est de découvrir la structure spatiale interne des “unités fonctionnelles” du cortex, ses briques élémentaires".

Pendant un siècle, à la suite du neurologue allemand Korbinian Brodmann, les chercheurs ont découpé ce cortex en 52 aires environ, appelées " aires de Brodmann ", chacune correspondant à une fonction donnée. Ce concept a été révisé en 2016, grâce à l'étude par IRM 3 T d'un consortium américain du Human Connectome Project, qui a montré que ces régions fonctionnelles seraient plutôt… près de 200 ! Denis Le Bihan estime qu'il pourra aller plus loin grâce au nouveau scanner. Il devrait permettre de visualiser l'agencement spatial des neurones dont - selon son hypothèse - le nombre, la forme et les connexions varient brutalement d'une aire à une autre. Puis d'observer comment cette organisation spatiale " code " pour une fonction cérébrale élémentaire. Cela constituerait un " code neural " du cerveau, présent chez d'autres espèces animales. "On conçoit de ce fait le potentiel du scanner IRM 11,7 T pour comprendre, voire traiter, certaines affections neurologiques ou psychiatriques", assure le chercheur.

Un avis partagé par Jeff Duyn, spécialiste de l'imagerie aux National Institutes of Health (NIH) de Bethesda (États-Unis) : "On observe des lésions corticales dans la sclérose en plaques (SEP), un épaississement du cortex moteur dans la sclérose latérale amyotrophique (SLA) ou un affinement dans la maladie d'Alzheimer. Ces changements seront beaucoup plus faciles à caractériser grâce à cet instrument", assure-t-il. Même attente chez Denis Le Bihan : "Grâce à la haute résolution des images, nous espérons visualiser les premières plaques amyloïdes caractéristiques de la maladie d'Alzheimer. Cela permettrait un diagnostic très précoce".

Vérifier son homogénéité et sa stabilité

En attendant, l'IRM 11,7 T va devoir faire ses preuves. Une fois l'installation réussie, l'équipe de NeuroSpin va ainsi augmenter progressivement le champ magnétique dans les mois à venir pour atteindre la puissance voulue. Puis vérifier qu'il est bien homogène et stable, sans quoi les images risquent d'être inutilisables. Et - surtout - croiser les doigts pour que l'instrument ne subisse pas la même mésaventure que feu son homologue américain. Car les États-Unis avaient eux aussi tenté l'aventure ! Siemens, associé au constructeur américain Agilent Technologies, avait livré en 2011 aux NIH une IRM 11,7 T d'un diamètre étroit, 68 centimètres. "Le système a été opérationnel pendant quelques semaines… jusqu'à ce que l'aimant “quenche”", rapporte Jeff Duyn. Le " quench ", c'est la perte de l'état supraconducteur de l'aimant. Il se traduit par un brusque échauffement local et le passage brutal de l'hélium liquide (qui sert au refroidissement) à l'état gazeux. Cet incident est la hantise des concepteurs d'aimants car il les endommage. Cela se produit en cas d'interaction trop forte entre l'aimant et des courants électriques (dits de Foucault) induits par une autre partie du scanner, les bobines de gradient.

"Cette interaction provoque un échauffement local de l'aimant, explique Cyril Poupon, chef du laboratoire de résonance magnétique nucléaire du CEA, à NeuroSpin. Si l'ouverture du cylindre est trop petite, l'interaction devient trop forte, l'aimant s'échauffe et on risque le quench". C'est ce qui se serait produit avec l'instrument des NIH, dont l'ouverture de 68 centimètres était " trop juste " selon Denis Le Bihan.

C'est pourquoi il avait demandé dans le cahier des charges initial une ouverture du cylindre de 90 centimètres, afin de limiter le risque. Si tout fonctionne, il s'agira ensuite pour NeuroSpin d'obtenir l'autorisation de l'Agence nationale de sécurité du médicament et des produits de santé (ANSM) d'introduire le premier volontaire humain dans la machine."Comme nous sommes pionniers, cela risque d'être un peu long, admet Cyril Poupon. Nous espérons le feu vert pour 2019".

Éviter l’échauffement des zones cérébrales

Car un autre écueil doit être évité : l'échauffement… du cerveau produit par les ondes radiofréquences utilisées. Il est généralement admis par les instances régulatrices internationales que l'échauffement local dans la tête d'un sujet passant en IRM ne doit pas dépasser 1°C. Or, "l'échauffement dépend du carré de la fréquence des ondes qui est directement liée au champ magnétique, rappelle Denis Le Bihan. En passant de 3 à 11,7 T on multiplie le champ, donc la fréquence des ondes utilisées par presque quatre (de 125 à 500 MHz) et l'échauffement par 16 ! " La solution : " Les ondes radiofréquences seront émises par 12 antennes qui répartissent l'énergie sur tout le cerveau, explique le physicien. De ce fait, chaque portion cérébrale ne recevra qu'une fraction de l'énergie. De plus, un dispositif de sécurité coupe le système instantanément en cas de dépassement des limites fixées".

Si toutes les autorisations sont données, les premiers protocoles de recherche devraient être lancés d'ici à cinq ans. "Avec cet instrument, la vision du cerveau pourrait radicalement changer", assure Denis Le Bihan. "Je m'attends à des résultats spectaculaires qui feront émerger des idées nouvelles", appuie de son côté Jeff Duyn, bon joueur.

NEUROSPIN : Infrastructure de recherche sur le cerveau, qui fait partie de l'Institut de recherche biomédicale du CEA de Saclay. Elle exploite de grands instruments d'imagerie mis à disposition de la communauté scientifique.

IRM : L'imagerie par résonance magnétique est une technique qui visualise les tissus mous par application d'un champ magnétique. Elle fournit des images anatomiques du cerveau, de son activité ou de la matière blanche.

TESLA (T) : Du nom du physicien américain Nikola Tesla (1857-1943), c'est l'unité de champ magnétique. Par exemple, le champ magnétique terrestre varie de 30µT à 60µT (microteslas) selon la localisation sur la Terre.

IRM 3 T : image de l'hippocampe, partie du cerveau impliquée dans la mémoire.

IRM 7 T : la même région du cerveau vue par un scanner plus puissant.

IRM 11,7 T : les structures de l'hippocampe apparaissent très détaillées.

Le 07 Juillet 2017

SOURCE WEB Par Sciences Et Avenir