IRM : une fenêtre sur le cerveau

Lorsque Bradley Peterson, psychiatre et chercheur à l'Université Columbia, m'a proposé de scanner mon cerveau avec un imageur à résonance magnétique de la taille d'une petite remorque Airstream, j'ai immédiatement dit oui. J'ai passé 10 minutes à remplir une liste de contrôle d'une page (j'ai menti sur la question demandant si j'étais claustrophobe) et encore quelques minutes à vider mes poches et à me débarrasser des clés, de la montre-bracelet et du stylo, qui pourraient devenir des missiles à l'intérieur du puissant aimant magnétique de l'IRM. domaine.

Je me suis allongé sur une palette étroite qui a glissé dans la machine comme un tiroir dans une morgue. La machine gémit et tinta en scrutant à l'intérieur de mon crâne, puis se tut. Avec un léger ronronnement, la palette a glissé et je me suis détendu. À peu près le temps qu'il faut pour graver quelques CD sur mon ordinateur portable, Peterson était penché sur un écran, me montrant une image détaillée en noir et blanc de mon cerveau.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de décembre 2005

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

Les scintigraphies cérébrales comme celle que j'ai eue sont maintenant routinières, utilisées pour tout, de la détection des signes d'accident vasculaire cérébral à la recherche de tumeurs suspectes. Mais des chercheurs comme Peterson poussent la technologie IRM plus loin que quiconque ne l'aurait cru. Au cours de la dernière décennie environ, l'IRM a été réorganisée pour révéler non seulement l'anatomie du cerveau, mais également son fonctionnement.

Alors que les IRM conventionnelles, comme celle que Peterson m'a donnée, révèlent des structures physiologiques, une variante appelée IRM fonctionnelle (IRMf) peut désormais également imager le flux sanguin au fil du temps, permettant aux chercheurs de voir quelles zones du cerveau sont actives au cours de certaines tâches.

En effet, les études d'IRMf au cours des dernières années ont fourni aux chercheurs des images saisissantes du cerveau réellement au travail. Une extension encore plus récente est la spectroscopie IRM, un autre type d'imagerie fonctionnelle qui surveille l'activité de produits chimiques particuliers dans le cerveau - fournissant des indices différents sur la fonction cérébrale que l'IRMf. Et plus récemment, des chercheurs ont mis au point une technique d'IRM appelée imagerie du tenseur de diffusion (DTI) qui produit des images 3D du frêle réseau de fils en araignée qui relie une partie du cerveau à une autre.

L'IRM est devenue, selon Robert Desimone, directeur du McGovern Institute for Brain Research au MIT, l'outil le plus puissant pour étudier le cerveau humain. Je compare cela à l'invention du télescope pour les astronomes. Desimone note que l'arrivée du télescope n'a pas immédiatement révolutionné la compréhension scientifique de l'univers. Cela a pris du temps, car les chercheurs ont appris à utiliser leur nouvel outil.

La même chose se produit avec l'IRM, dit Desimone. Les chercheurs commencent tout juste à réaliser le potentiel de ces techniques, qui ont été largement utilisées pour la première fois chez l'homme il y a une quinzaine d'années. Vous voyez beaucoup d'enthousiasme sur le terrain, dit Desimone.

Plusieurs avancées techniques ont contribué à l'amélioration de l'IRM. En tête de liste se trouve le développement d'aimants IRM plus puissants, qui permettent des analyses plus détaillées et à plus haute résolution. Ce que sont les mégapixels pour un appareil photo numérique, le teslas, une mesure de l'intensité du champ magnétique, le sont pour les IRM : plus vous en avez, meilleure est la qualité de l'image. Les IRM les plus récentes génèrent des champs magnétiques d'environ sept teslas, des milliers de fois plus puissants que le champ magnétique terrestre et au moins deux fois plus puissants que ceux généralement utilisés dans les hôpitaux. (Certains centres de recherche, dont le McGovern Institute, disposent d'appareils d'IRM de 9,4 teslas pour les études animales.)

Un autre développement clé est une succession de méthodes d'analyse informatique de plus en plus complexes. Ceux-ci permettent aux chercheurs d'extraire des informations plus nombreuses et de meilleure qualité à partir des données du scanner et ont amélioré non seulement l'IRMf, mais également la spectroscopie IRM et le DTI.

L'objectif ultime de la recherche en imagerie cérébrale est d'aider à expliquer comment les milliards de neurones et de connexions dans le cerveau donnent lieu à la réflexion. Mais les chercheurs appliquent également les nouvelles techniques d'IRM à un objectif plus concret et immédiat : améliorer le diagnostic et le traitement des maladies mentales et des troubles de l'apprentissage. L'espoir est que l'imagerie IRM fournira un diagnostic beaucoup plus précis des maladies psychiatriques dont les symptômes peuvent se ressembler, évitant ainsi des années de souffrance aux patients prenant les mauvais médicaments.

Dans le cadre de cet effort, les chercheurs utilisent l'IRM pour étudier les causes non seulement des affections psychiatriques, mais de toutes sortes d'anomalies cérébrales et de troubles de l'apprentissage, y compris ceux que l'on trouve souvent chez les enfants nés prématurément. Et tandis que les tentatives d'utilisation de l'imagerie cérébrale pour améliorer les soins de santé psychiatrique ont rencontré peu de succès au cours de la dernière décennie, les nouvelles technologies d'IRM - en substance, des télescopes beaucoup plus puissants sur l'esprit - offrent un nouvel espoir de trouver de meilleurs moyens d'intervenir.

Empreinte digitale bipolaire

L'un des leaders dans l'effort d'enrôler l'IRM dans le diagnostic et le traitement des affections psychiatriques est John Port à la Mayo Clinic à Rochester, MN. Port est un neuroradiologue qui a commencé sa carrière en étudiant le génie électrique et l'informatique au MIT et a ensuite obtenu un doctorat en biologie cellulaire et un doctorat en médecine de l'Université de l'Illinois. Il est donc bien placé pour rechercher à la fois la technologie de base de l'IRM et ses applications en médecine.

Les travaux de Port sur l'IRM pourraient avoir une large application en psychiatrie, mais pour l'instant, il se concentre sur son intérêt particulier : le trouble bipolaire. Également appelé maniaco-dépression, le trouble bipolaire se caractérise par des sautes d'humeur allant de l'exubérance sauvage à la dépression profonde, avec des périodes de stabilité entre les deux. Les radiographies ou les IRM conventionnelles ne montrent aucune différence entre le cerveau des personnes atteintes de trouble bipolaire et celles qui en sont dépourvues ; les revues médicales sont jonchées de tentatives infructueuses d'utilisation de l'imagerie pour trouver des signes distinctifs de la maladie.

Port pense que beaucoup de ces tentatives étaient scientifiquement erronées. J'ai une liste de bêtes noires d'un kilomètre de long, dit-il. Il existe un million d'études, mais les patients peuvent prendre six médicaments différents. Alors, quand vous voyez quelque chose de différent, est-ce les médicaments ? Ou est-ce qu'il se passe quelque chose ? Un autre problème avec de nombreuses études antérieures, dit-il, est qu'elles incluaient trop peu de patients. Vous ne pouvez rien dire de 10 patients. Beaucoup de recherches n’ont pas été aussi rigoureuses qu’elles devraient l’être.

En effet, malgré des années de travail, les neuroscientifiques ne savent toujours pas ce qui cause le trouble bipolaire, ni exactement quelles parties du cerveau sont impliquées. Ce manque de connaissances a gravement entravé la recherche de moyens plus sûrs et plus efficaces de traiter la maladie. Les principaux médicaments pour le trouble bipolaire, le lithium et le Depakote, existent depuis des décennies.

Les deux ont été découverts par accident, lorsque des chercheurs essayant de faire autre chose ont remarqué que les médicaments soulageaient les symptômes des patients atteints de trouble bipolaire. Et bien que les médicaments puissent être raisonnablement efficaces chez certaines personnes, les médecins n'ont aucune idée de leur mode d'action ou des patients les plus susceptibles d'en bénéficier. Afin de trouver de meilleurs produits pharmaceutiques, les chercheurs doivent être en mesure de cibler les mécanismes ou les structures exacts impliqués dans le trouble bipolaire.

L'identification des mécanismes pourrait également conduire à une évaluation plus précise du trouble. Souvent, le diagnostic en psychiatrie se fait par une sorte d'essai et d'erreur, dans lequel un psychiatre fait une supposition fondée sur le comportement ou les symptômes autodéclarés d'un patient, prescrit un médicament et voit si cela aide ou non. Si ce n'est pas le cas, le psychiatre envisage un diagnostic différent et un médicament différent, jusqu'à ce que quelque chose commence à fonctionner.

Ce dont les psychiatres ont besoin, c'est d'un test qui leur donnera la réponse : ce patient a la maladie ou pas, dit Port. Lui et d'autres chercheurs espèrent que les scanners IRM offriront le diagnostic définitif. Et pour les professionnels de la santé mentale, cela changerait tout. Je consacre le reste de ma carrière à proposer un test d'imagerie qui aidera les psychiatres à diagnostiquer le trouble bipolaire et d'autres maladies, dit Port.

Port est l'un des nombreux chercheurs qui expérimentent actuellement la spectroscopie IRM, dans laquelle un logiciel produit une image du cerveau à partir d'un balayage spectroscopique. L'image est composée de points de données individuels appelés voxels, des cubes analogues aux pixels d'une image informatique en 2D. Chacun correspond à un volume de la taille d'un haricot. Pour chaque voxel, Port obtient une lecture sur la présence ou l'absence de certains produits chimiques qui sont des indicateurs de la fonction cérébrale.

Pour comprendre le fonctionnement de la spectroscopie IRM, il est nécessaire de comprendre un peu le fonctionnement plus général de l'imagerie par résonance magnétique. Les scanners IRM captent des signaux électromagnétiques extrêmement faibles provenant de protons dans les atomes de molécules qui composent les tissus du corps - dans ce cas, le tissu cérébral.

Pensez-y comme à l'écoute d'une chute d'épingle dans un orage, dit Port. Chaque proton a un champ magnétique qui pointe dans une certaine direction, comme c'est le cas pour la Terre. Lorsque l'IRM est allumée, son aimant aligne les champs magnétiques des protons dans la même direction. Des rafales d'énergie radiofréquence désalignent temporairement certains des protons. Lorsque les protons se remettent en place, ils libèrent de l'énergie, générant un signal minuscule que les détecteurs de l'IRM peuvent capter. En retournant les protons de différentes manières et en mesurant diverses propriétés de ces retournements, y compris le temps qu'ils prennent, les chercheurs peuvent identifier divers tissus et produits chimiques dans le cerveau.

À l'aide de la spectroscopie IRM, Port peut mesurer les niveaux de produits chimiques tels que l'aspartate de n-acétyle, que l'on ne trouve que dans les neurones, ou le glutamate, qui stimule l'activité des cellules nerveuses. Lorsque Port a utilisé la technique dans de nombreuses zones du cerveau chez des patients bipolaires et a comparé les résultats à ceux de témoins sains, il a trouvé une empreinte chimique qui semblait être un indicateur de trouble bipolaire.

Lorsque nous avons comparé tous les patients bipolaires dans n'importe quel état d'humeur avec leurs sujets témoins normaux appariés, nous avons constaté que deux zones du cerveau étaient significativement différentes, dit Port. Port et son équipe ont également identifié des changements dans de nombreuses régions du cerveau des personnes atteintes de trouble bipolaire qui indiquaient si elles étaient dans un état maniaque ou déprimé. Nous avons trouvé une mesure chimique de l'état de l'humeur, dit-il.

Port a-t-il donc trouvé le test diagnostique tant recherché pour le trouble bipolaire ? Son empreinte chimique identifie-t-elle de manière fiable les personnes atteintes de trouble bipolaire et exclut-elles celles qui n'en ont pas ?

Peut-être, mais il ne peut pas encore en être sûr. Nous pensons que nous sommes sur quelque chose de bien, dit-il, mais nous devons le vérifier et nous assurer qu'il sera cliniquement utile. Il s'agit d'essayer la technique avec suffisamment de patients pour être sûr qu'elle est statistiquement valide - qu'elle ne produira pas trop de faux positifs ou de faux négatifs. Il n'a pas besoin d'être parfait, mais il doit être suffisamment bon pour ajouter des informations utiles à ce que les psychiatres peuvent discerner à travers leurs méthodes traditionnelles de diagnostic, d'entretiens et d'analyses des antécédents de patients.

Si Port est correct, cependant, et que la technique fait ses preuves, ce serait un jalon dans la recherche psychiatrique : un test de diagnostic pour le trouble bipolaire. Et si la technique fonctionne avec le trouble bipolaire, elle pourrait être adaptable à d'autres maladies psychiatriques.

Port et d'autres expérimentent également l'imagerie par tenseur de diffusion. Le DTI mesure la diffusion de l'eau dans le cerveau. L'eau circule dans le cerveau comme partout ailleurs - le long du chemin de moindre résistance. Dans le cerveau, c'est le long des axones, les longues queues des neurones, qui transmettent des signaux électriques aux autres neurones. (C'est de l'isolant gras et blanc qui entoure la plupart des axones que la matière blanche tire son nom ; le reste du neurone et les axones non isolés constituent ensemble la matière grise.)

Port commence tout juste à rechercher la technique. Mais à terme, les chercheurs pourront utiliser cliniquement le DTI pour rechercher des maladies qui interfèrent avec la substance blanche – la sclérose latérale amyotrophique [maladie de Lou Gehrig] et la schizophrénie, selon Port.

Diagnostiquer le développement

Les techniques que Port étudie, si elles s'avèrent efficaces, seront utilisées pour diagnostiquer des personnes présentant déjà des signes de maladie mentale. Mais qu'en est-il des autres qui sont prédisposés aux problèmes mais n'ont pas encore commencé à présenter des symptômes ? La technologie IRM peut-elle aider à trouver ces personnes afin qu'elles puissent être aidées avant l'apparition des symptômes ?

Chez Columbia, Peterson essaie de répondre à cette question. Lui et ses collaborateurs sont parmi les premiers à scanner le cerveau des nourrissons prématurés, parfois quelques jours après leur naissance. L'objectif est de répertorier les types d'anomalies cérébrales qu'ils découvrent et de trouver des moyens d'intervenir plus tôt que jamais pour tenter de les corriger ou de les compenser.

Peterson s'est intéressé pour la première fois aux complications des naissances prématurées il y a environ 10 ans, alors qu'il commençait ses recherches en psychiatrie à l'Université de Yale. Il avait découvert quelque chose de très inhabituel dans le cerveau des personnes atteintes du syndrome de Gilles de la Tourette. La plupart d'entre nous ont des asymétries dans notre cerveau - le côté gauche ne correspond pas exactement au droit. La plupart d'entre nous ont également un œil plus gros que l'autre (comme le souligneront les photographes portraitistes) et d'autres asymétries mineures.

Mais le cerveau des personnes atteintes du syndrome de Tourette était différent. Dans le cerveau de Tourette, il semblait y avoir une absence d'asymétrie, dit Peterson. Une absence similaire d'asymétrie avait été observée chez les animaux qui avaient survécu à des naissances compliquées. Peterson a décidé de regarder les enfants qui étaient nés prématurément. Comme Port, il utilise les dernières technologies IRM pour essayer d'obtenir des informations qui n'étaient pas disponibles auparavant.

Il y avait une raison à son intérêt. Les enfants nés prématurément sont plus à risque de troubles d'apprentissage et même de maladies psychiatriques. Comprendre en quoi leur cerveau est différent devrait conduire à de nouvelles façons de les aider.

En l'occurrence, Laura Rowe Ment, neurologue pédiatrique à Yale, suivait un groupe de 500 enfants prématurés nés entre 1989 et 1992 dans le cadre d'une étude en cours. Peterson et Ment ont mis en place une collaboration. Il y avait des rapports d'imagerie suggérant divers types de problèmes dans le cerveau - en termes de développement du cerveau. Mais ils n'étaient pas contrôlés, les chiffres étaient petits – ils étaient impressionnistes, dit Peterson.

Même compte tenu de leur petite taille, les enfants prématurés ont tendance à avoir une tête disproportionnée. L'hypothèse était que la taille du cerveau serait réduite plus tard dans la vie, dit Peterson. Les chercheurs ont également émis l'hypothèse qu'il y aurait des dommages à la substance blanche. Les enfants de Ment, qui avaient alors environ huit ans, étaient particulièrement utiles car elle et ses collègues avaient documenté tout ce qui leur était arrivé depuis leur naissance.

La première chose que Peterson a faite a été d'utiliser le scanner IRM pour déterminer la taille du cerveau des enfants de huit ans. La supposition était juste – leur cerveau était plus petit que la normale. Mais la diminution de taille ne s'est produite que dans certaines régions du cerveau - les parties du cortex qui régissent le mouvement, la vision, le langage, la mémoire et le raisonnement visuel et spatial. Ces régions étaient considérablement plus petites, dit Peterson. Les autres parties de leur cerveau étaient de taille normale, ou presque.

La deuxième supposition – sur les dommages causés à la substance blanche – s'est également avérée exacte. Il y avait moins de matière blanche dans les régions motrices du cerveau des enfants, ce qui signifie qu'il y avait relativement peu de connexions de câblage là-bas. Et la réduction du volume était corrélée aux scores de QI. Plus l'anomalie est importante - plus elle était anormale dans toutes ces régions - plus leur QI était bas, dit Peterson.

La question était alors : ces anomalies sont-elles survenues avant ou à la naissance ou quelque temps après ? Peterson a commencé à scanner des nourrissons normaux et prématurés. Les scanners des nouveau-nés prématurés ont montré qu'ils présentaient les mêmes anomalies cérébrales que les enfants de huit ans. C'était si distinctif, le schéma d'anomalies, qu'il est presque impossible de regarder un scanner et de ne pas être en mesure de dire qu'il s'agit d'un enfant prématuré, dit Peterson.

L'une des différences les plus marquantes était la taille des minuscules cavités du cerveau appelées ventricules. Les ventricules sont massivement dilatés, environ quatre fois plus grands chez les enfants nés prématurément que chez les enfants à terme, dit Peterson. Nous avons vu cela chez les enfants de huit ans et chez les nourrissons. Le tissu autour de ces ventricules est vraiment endommagé… Cela suggère que ces bébés ont des problèmes de développement avant même leur naissance. Peterson a suivi les nouveau-nés pendant deux ans, puis les a testés avec une sorte de test de QI destiné aux tout-petits. Plus ils naissaient tôt, plus leur cerveau était immature à la naissance. Et plus leur cerveau est immature, plus leurs scores d'intelligence sont bas.

Pour les neuroscientifiques, la découverte que les enfants prématurés avaient des anomalies cérébrales avait du sens. Une grande partie de la croissance et du développement du cerveau se produit pendant la dernière moitié de la grossesse. Les neurones commencent leur vie regroupés près du centre de ce qui deviendra le cerveau, mais commencent bientôt à migrer vers l'extérieur. Les cellules gliales, qui aident les neurones à communiquer, traversent une période de croissance explosive, ce qui représente la majeure partie de l'augmentation de poids du cerveau. Les neurones étendent des tentacules sinueux, cherchant des connexions avec d'autres cellules. Des milliards de connexions se font au cours des dernières semaines de grossesse. Les axones développent alors leurs couches d'isolant blanc et gras. À ce stade, le cerveau est massivement surdéveloppé, avec beaucoup trop de fils et de connexions. Alors il commence à réduire. C'est comme si chaque connexion était testée, pour déterminer sa valeur. Les circuits utiles sont conservés ; les autres sont rognés, laissant une machine élégante et efficace.

La naissance prématurée perturbe probablement ces processus - la migration des cellules nerveuses, la croissance des cellules gliales et de la substance blanche, et la taille. Les enfants prématurés ont la plupart des neurones qu'ils emporteront avec eux dans la vie adulte, mais il est possible qu'ils ne soient pas aux bons endroits ou correctement connectés ou testés. Les chercheurs, dit Peterson, testent intensivement ces possibilités.

Les recherches de Peterson offrent l'espoir d'aider les enfants à compenser les particularités liées au cerveau qu'ils pourraient avoir. Nous voulons utiliser l'imagerie pour prédire qui va avoir des problèmes particulièrement difficiles au cours du développement, afin que nous puissions intervenir plus efficacement, dit-il. Cette intervention peut consister en des programmes éducatifs spécialement conçus ou en une thérapie physique et d'autres traitements pour compenser les difficultés physiques et émotionnelles.

Lorsque Peterson a commencé ce travail, son intérêt était professionnel. Mais maintenant, il a aussi un intérêt personnel. Il y a deux ans, sa fille est née quatre semaines avant terme. Bien qu'elle ne montre aucun effet néfaste, il dit qu'il la surveille et qu'il s'inquiète.

Réflexion

Lorsque Peterson m'a scanné, il n'a rien trouvé d'anormal ou d'inquiétant. Si j'avais eu une tumeur au cerveau ou une anomalie importante, il l'aurait repéré. Mais c'est à peu près toutes les informations cliniquement utiles qu'il pourrait obtenir à partir d'une analyse rapide. Si Peterson m'avait fait passer les scanners sophistiqués qu'il utilise avec les bébés prématurés, il aurait peut-être pu détecter une bizarrerie dans la façon dont mon cerveau se comporte. Mais en raison de la grande variabilité de la structure et de la fonction cérébrales normales, il n'aurait pas été en mesure de tirer des conclusions précises sur la façon dont mon cerveau diffère de celui des autres personnes.

Dans les années à venir, cependant, à mesure que la technologie continue de s'améliorer, il peut devenir possible pour chacun d'entre nous, avec ou sans maladies évidentes ou problèmes neurologiques, d'en apprendre beaucoup plus sur l'état de notre cerveau, nos perceptions et notre façon de penser. La mauvaise nouvelle est que bien que ces techniques soient très puissantes, elles ne sont pas là où nous devons être, déclare Desimone du MIT. Nous devons utiliser ces aimants IRM d'une manière qu'ils n'ont jamais utilisée auparavant.

Le McGovern Institute de Desimone vient d'inaugurer le Martinos Imaging Center. Une salle au centre abrite un scanner IRM à la pointe de la technologie. A côté se trouve une autre pièce qui, pour le moment, restera vide. Nous l'avons là pour un nouvel appareil, dit Desimone. Il ne sait pas encore quel sera cet appareil. C'est notre défi : l'inventer ici. L'idée est d'aller au-delà de la situation actuelle, vers la technologie du futur.

Le livre le plus récent de Paul Raeburn est Familiarisé avec la nuit , un mémoire sur l'éducation d'enfants souffrant de dépression et de trouble bipolaire.

cacher