La neuroimagerie a amélioré notre compréhension du fonctionnement du cerveau. Ces techniques impliquent souvent de mesurer les variations du flux sanguin pour détecter l'activation cérébrale, en exploitant l'interaction fondamentale entre les activités vasculaires et neuronales du cerveau. Toute altération de ce couplage dit neurovasculaire est fortement liée à un dysfonctionnement cérébral. La capacité à imager la microcirculation cérébrale est particulièrement importante, car les maladies neurodégénératives telles que la démence et la maladie d'Alzheimer impliquent un dysfonctionnement des petits vaisseaux cérébraux.
Chercheurs à Institut Physique Pour La Médecine Paris (Inserm/ESPCI Université PSL/CNRS) ont maintenant développé une méthode appelée microscopie de localisation par ultrasons fonctionnels (fULM) qui peut capturer l'activité cérébrale à l'échelle du micron. L'équipe a publié les premières images du cerveau entier à l'échelle du micron de l'activité vasculaire des rongeurs dans Nature Methods, ainsi qu'une explication détaillée des procédures d'acquisition et d'analyse d'images fULM.
Contrairement aux approches électrophysiologiques ou optiques invasives pour étudier la fonction cérébrale à l'échelle microscopique, la microscopie de localisation par ultrasons (ULM) peut être non invasive. La technologie d'imagerie suit les microbulles biocompatibles de la taille d'un micron injectées dans la circulation sanguine et en accumulant les traces de millions de microbulles, les images reconstruites peuvent révéler des changements subtils dans le volume sanguin cérébral avec une précision de l'ordre du micron, sur de grands champs de vision.
Les chercheurs ont déjà utilisé l'ULM pour révéler l'anatomie microvasculaire à l'échelle du cerveau entier chez les rongeurs et les humains. La résolution spatiale de l'ULM est 16 fois meilleure que celle obtenue avec l'imagerie ultrasonore fonctionnelle. Mais comme le processus d'acquisition est lent, l'ULM ne peut produire que des cartes statiques du flux sanguin induit par l'activité neuronale.
La technique fULM surmonte cette limitation. En plus de l'imagerie de la microvasculature cérébrale, la technique détecte l'activation cérébrale locale en calculant le nombre et la vitesse des microbulles passant dans chaque vaisseau. Lorsqu'une région du cerveau s'active, le couplage neurovasculaire provoque une augmentation locale du volume sanguin, dilatant les vaisseaux et permettant le passage de plus de microbulles. fULM fournit des estimations locales de plusieurs paramètres qui caractérisent cette dynamique vasculaire, y compris le débit de microbulles, la vitesse et les diamètres des vaisseaux.
Selon le chercheur principal Mickaël Tanter et ses collègues, l'intégration de fULM dans un échographe économique et facile à utiliser fournit "un aperçu quantitatif du réseau microcirculatoire cérébral et de ses changements hémodynamiques en combinant une étendue spatiale à l'échelle du cerveau avec une résolution microscopique et une résolution temporelle de 1 s compatible avec l'imagerie neurofonctionnelle ».
in vivo études
Pour démontrer le concept fULM, les chercheurs ont d'abord imagé des rats de laboratoire avec des ultrasons fonctionnels (sans contraste), suivis d'ULM dans le même plan d'imagerie. Ils ont combiné des stimulations sensorielles (déviations des moustaches ou stimulation visuelle) chez des rats anesthésiés avec une injection continue de microbulles. Pour l'ULM, les rats ont reçu une injection lente et continue de microbulles au cours d'une séance d'imagerie de 20 minutes, conduisant à environ 30 microbulles par trame échographique.
Pendant le traitement ULM, les chercheurs ont enregistré chaque piste avec chaque position de microbulle et sa position temporelle respective. Ils ont construit des images ULM en sélectionnant une taille de pixel et en triant chaque microbulle dans chaque pixel. Seuls les pixels avec au moins cinq détections de microbulles différentes pendant la durée totale d'acquisition ont été utilisés pour les analyses.
La technique a permis aux chercheurs de cartographier l'hyperémie fonctionnelle (augmentation du sang dans les vaisseaux) dans les zones corticales et sous-corticales avec une résolution de 6.5 µm. Ils ont quantifié les réponses hémodynamiques temporelles lors de stimulations des moustaches pour quatre rats et lors de stimulations visuelles pour trois rats, en mesurant le flux et la vitesse des microbulles.
L'équipe a quantifié l'implication des vaisseaux sanguins lors de l'hyperémie fonctionnelle. Ils ont observé des augmentations du nombre, de la vitesse et du diamètre des microbulles pour une artériole et une veinule représentatives (très petites artères/veines menant à/hors des capillaires), notant que les animaux témoins ne présentaient aucun changement. Ils ont également introduit une « perfusion » et un « indice de surface de drainage » pour quantifier davantage l'implication de chaque vaisseau sanguin individuel. Ceux-ci ont augmenté de 28 % et 54 % lors de la stimulation de l'artériole et de la veinule, respectivement.
En raison du grand champ de vision, les chercheurs ont pu effectuer des analyses quantitatives simultanément pour chaque vaisseau sur l'ensemble de l'image de tranche de cerveau de rat, même dans des structures profondes telles que le thalamus pour les stimulations des moustaches et le colliculus supérieur pour les stimulations visuelles.
"La résolution spatio-temporelle obtenue permet à fULM d'imager différents compartiments vasculaires dans l'ensemble du cerveau et de discriminer leurs contributions respectives, en particulier dans les artérioles précapillaires connues pour avoir une contribution majeure aux modifications vasculaires au cours des activités neuronales", écrivent les auteurs.
L'échographie ultrarapide cartographie de minuscules vaisseaux sanguins profondément dans le cerveau humain
Ils ajoutent : « fULM montre que l'augmentation relative du flux de microbulles est plus importante dans les vaisseaux intra-parenchymateux que dans les artérioles. fULM confirme également les caractéristiques dépendantes de la profondeur pour le flux sanguin et la vitesse de pénétration des artérioles au départ, et met en évidence une variation dépendante de la profondeur de la vitesse du sang lors de l'activation. Il quantifie également les fortes augmentations du flux de microbulles, de la vitesse du sang et du diamètre des veinules lors de l'activation.
En tant que nouvel outil de recherche en imagerie, fULM fournit un moyen de suivre les changements dynamiques lors de l'activation du cerveau et offrira des informations sur les circuits cérébraux neuronaux. Cela facilitera l'étude de la connectivité fonctionnelle, de l'activité corticale spécifique à la couche et / ou des altérations du couplage neurovasculaire à l'échelle du cerveau.
Tanter note que des chercheurs de l'Institut de physique pour la médecine collaborent avec la société de technologie médicale basée à Paris Iconée, pour rendre cette technologie disponible très rapidement pour la communauté des neurosciences et pour l'imagerie clinique.
