Lumière sur le cerveau

Il y a environ 100 millions de neurones dans le cerveau humain et chacune d’entre elles appartient à un réseau sophistiqué qui contrôle nos pensées, nos comportements, nos émotions. Un message provenant d’un seul neurone peut avoir des conséquences importantes sur les autres régions du cerveau, mais les liens sont difficiles à établir avec les technologies dont nous disposons actuellement. Pour remédier à la situation, une équipe composée de chercheurs de différentes universités (MIT, Harvard, Boston et Tufts) est parvenue à activer sélectivement les neurones d’une souris éveillée avec de la lumière pour ensuite observer l’activité dans les autres régions du cerveau par l’intermédiaire de l’IRM fonctionnelle.

Une avancée prometteuse

L’IRM fonctionnelle, rappelons-le, utilise les propriétés paramagnétiques de la désoxy-hémoglobine (présente en plus grande concentration lorsque le flux sanguin augmente en raison de la consommation accrue d’oxygène engendrée par l’activité neuronale) pour localiser l’activité cérébrale. En comparant les données obtenues à des IRM fonctionnelles réalisées sur des cerveaux humains, les chercheurs prévoient identifier certains circuits neuronaux impliqués dans des pathologies telles que l’épilepsie, la schizophrénie, l’autisme et le syndrome du stress post-traumatique.

La nouvelle technique

La nouvelle technique, appelée opto-IRMf, modifie génétiquement les cellules du cerveau de façon à ce qu’elles réagissent à la lumière. Dans leur membrane, ces cellules renferment une protéine de transport spéciale qui contrôle le flux des molécules chargées (ions) à l’intérieur de la cellule. Lorsque des ions positifs sont introduits à l’intérieur du neurone, son potentiel est modifié, ce qui l’active. Il est ainsi possible de stimuler sélectivement certains neurones. Les chercheurs ont combiné l’optogénétique à l’IRM fonctionnelle afin d’identifier quelles zones du cerveau entrent en activité lorsqu’un neurone en particulier est activé. Pour tester le système, ils ont introduit les protéines réagissant à la lumière dans le cortex sensitif primaire des souris, qui perçoit les sensations du toucher et de la douleur. À l’aide de l’IRM fonctionnelle, ils ont découvert qu’à la suite de l’activation des neurones par la lumière, le cortex sensitif secondaire et le cortex moteur primaire (qui contrôle les mouvements du corps) étaient eux aussi activés.



L'image du haut présente l'activité neuronale d'une souris éveillée. L'image du bas schématise la communication entre les neurones lorsqu'ils sont activés par la lumière. Les couleurs plus chaudes indiquent une plus grande corrélation.


En somme, dans le futur, cette technique pourrait mener à la découverte de nouveaux traitements ciblant un circuit neuronal spécifique plutôt qu’une molécule spécifique comme c’est le cas actuellement.

Pour plus d’informations, voir http://web.mit.edu/newsoffice/2011/illuminating-brain-0128.html

L’IRM pourrait-elle devenir une technique d’imagerie utilisée en premier recours dans nos urgences?

Différentes techniques d’imagerie médicale

L’IRM est une technique d’imagerie complémentaire. Autrement dit, si un patient se présente à l’urgence, la radiographie conventionnelle (rayons X) et l’échographie (ultrasons) seront priorisées, car elles sont d’une part plus rapides et d’autre part moins coûteuses. Ce n’est que par la suite que l’examen IRM sera prescrit si nécessaire, pour confirmer le diagnostic. Voyons ce qui distingue ces trois techniques d’imagerie médicale.

La radiographie

La radiographie conventionnelle, qui utilise les rayons X, mesure la densité électronique. Son principal avantage réside en son excellente résolution spatiale, c’est-à-dire qu’elle peut produire une image assez précise. De plus, cette technique est considérablement plus accessible que l’IRM, le coût des installations, évalué à 50 000$, étant de loin inférieur à celui d’un appareil IRM, qui s’élève à plus de 2 000 000$. Cependant, les rayons X offrent un moins bon contraste. Il est donc extrêmement difficile de différencier la matière blanche de la matière grise puisque leur différence de densité électronique est inférieure à 2%. Pour y arriver, il faut énormément de signal et donc une dose très élevée de rayons, qui sont, comme vous le savez probablement, hautement cancérigènes. Par ailleurs, les rayons X ne permettent pas d’obtenir une image des structures encapsulées (à l’intérieur d’une paroi osseuse) comme le cervelet et la moelle épinière.

L’échographie

L’échographie, qui utilise des impulsions ultrasonores, est beaucoup plus sécuritaire que la radiographie, mais offre une moins bonne résolution spatiale. Pour obtenir une image, on émet une onde sonore qui frappe les tissus ciblés et revient sous forme d’écho vers la sonde d’échographie. On mesure l’intensité de l’onde réfléchie et le temps entre l’émission de l’impulsion et la réception de l’écho, proportionnel à la distance parcourue par l’onde. Cependant, les ultrasons ne se propagent pas dans l’air. Il est donc impossible d’obtenir des images de structures tels les poumons.

L’IRM, une technique complémentaire

L’IRM est principalement utilisée pour raffiner l’image. De plus, puisque l’os n’interfère pas avec le signal , l’IRM permet l’obtention d’une image de la moelle épinière et du cerveau. Ce n’est pas le cas de la radiographie et de l’échographie. L’eau étant le marqueur utilisé en IRM (on utilise le spin des protons des molécules d’hydrogène), cette technique d’imagerie permet l’observation de phénomènes d’ischémie. L’ischémie est la diminution ou l’arrêt de la circulation artérielle dans une région plus ou moins étendue d'un organe ou d'un tissu (Larousse Médical). Les cellules mortes sont remplacées par de l’eau et c’est cette eau, même lorsqu’elle n’est présente qu’en très petite quantité, que l’IRM peut détecter. La principale utilité de l’IRM demeure toutefois le diagnostic de la sclérose en plaques, une maladie inflammatoire du système nerveux central se caractérisant par la perte de myéline (gaine de fibres nerveuses), qui se remplace par un tissu cicatriciel (sclérose), à certains endroits (plaques) (Larousse Médical).

Malgré les avancées récentes en matière d’imagerie, les techniques plus anciennes comme la radiographie ont donc toujours leur place.

Merci beaucoup à Robert Ouellet, spécialiste de la physique nucléaire, qui a généreusement accepté de nous rencontrer.

RELAXATION LONGITUDINALE (T1)

En excitant les protons, ceux-ci vont être égalisés sur les niveaux d’énergie E1 et E2. L’aimantation M, créée par la présence d’une différence de charge positive entre ces deux niveaux, devient nulle lorsque cette variation de charge égale zéro. Ainsi, en envoyant une impulsion RF de 90 ͦ, la composante longitudinale Mz disparaît. Dès que les ondes radiofréquences cessent, la composante Mz retourne à son état d’équilibre (voir Fig.2-1).

Fig.2-1. 1) État d’équilibre : Mz=Mzo;

              2) Impulsion RF de 90 ͦ : excitation (Mzo=0);

              3) Relaxation : Mz=Mzo et Mxy=0.

Ainsi, l’aimantation longitudinale repousse progressivement. Il y a retour des protons du niveau de haute énergie sur celui de basse énergie. Cela permet d’émettre de l’énergie (celle absorbée lors de l’excitation des protons). La constante de temps T1 caractérise chaque type de tissus : elle repousse selon une fonction exponentielle croissante. Donc, plus T1 repousse rapidement, plus le temps de relaxation longitudinale d’un tissus est court. L’ordre de grandeur de T1 pour les tissus biologiques est de 500 ms à 1000 ms. La structure moléculaire des tissus (solide ou liquide) fait varier le T1. Par exemple, le temps de relaxation est plus long dans les liquides que dans les solides. Assurément, les molécules présentes dans les milieux biologiques (réseaux) sont sans cesse sous l’effet des mouvements de translation, rotation et collision. Ces derniers peuvent caractérisés par la fréquence des collisions moléculaires Vc. La relaxation spin-réseau (T1) absorbe l’énergie par le milieu biologique. T1 est d’autant plus opérant que la Vc est similaire à la fréquence de Larmor. En effet, pour céder de l’énergie aux protons par l’onde RF, il faut que Vr=Vo (condition de résonance). De cette même façon, les protons laissent leur énergie au réseau, il est nécessaire que Vc se rapproche de Vo. En respectant cela, les protons peuvent plus facilement redonner leur énergie, celle absorbée lors de l’excitation, au milieu biologique environnant. Ainsi, pour des tissus graisseux (grosses molécules aux mouvements lents), le T1 est court. À l’inverse, pour les molécules d’eau libre (molécules ayant des mouvements rapides), le T1 est long (voir fig.2-2). Alors, les protéines du corps (eaux liées ou grosses molécules) raccourcissent le temps de relaxation longitudinale.  Ainsi, lorsqu’une personne développe une tumeur ou un œdème, cette dernière aura un T1 plus allongée sur tel partie du corps (plus d’eau libre=T1 plus long). Également, en augmentant le champ Bo (Vo augmente), on allonge T1, car Vc ne varie pas. Ainsi, T1 est proportionnelles à Bo. Bref, l’imagerie utilise ces différences en T1 pour bien distinguer les tissus.

écrit par Louis Fortin

Un micromanipulateur dans l'IRM

   Comme mentionné dans des publications antérieures, la micro, voir nano-imagerie par IRM est une technologie en plein développement. Pendant que certains tâchent à améliorer le temps d'acquisition des images de haute qualité à l'échelle moléculaire, d'autres regardent vers de différents horizons et cherchent des utilisations innovatrices de la machine magnétique.

  Une étude datant d'avril 2005 explique la notion d'un manipulateur mécanique à l'échelle micrométrique pouvant opérer dans une unité d'IRM sans causer de distorsions importantes dans les images. En temps normal, un objet métallique provenant de l'extérieur, aussi petit soit-il, cause des distorsions dans le champ magnétique ce qui peut engendrer d'importants artéfacts ( erreurs d'image ). La publication précédente sur le blogue contient un exemple de perturbation due à un métal.

        Le manipulateur endoscopique présenté dans cet article ne contient qu'une quantité minimale de métal  retrouvée dans le câblage et dans les blindages magnétiques. En effet, les actionneurs utilisés dans ce mécanisme sont construits à base des polymères ayants de propriétés piézoélectriques. L'importance de cette avancée technologique est colossale. La visualisation à l'échelle micrométrique, en temps réel, par l'intermède de l'IRM combinée à la possibilité de manipulation précise du tissu biologique permet de concevoir des interventions chirurgicales au niveau cellulaire.

       En suivant le développement des manipulateurs compatibles avec l'IRM on peut trouver maintes exemples d'applications récentes dans le domaine médical. En 2009, le Département d'Ingénierie Mécanique de la prestigieuse MIT a conçu un type spécial de manipulateur dont le but spécifique serait la biopsie et le traitement du cancer de la prostate. L'article est disponible ici.

     Cette technologie est à surveiller car il se pourrait qu'à l'avenir , lors d'une intervention chirurgicale, nous nous retrouvons sur une table d'opération à l'intérieur d'un IRM.

    

Le mythe du métal dans un IRM

Certaines légendes urbaines prévoient que la présence de métal dans un appareil d’imagerie par résonnance magnétique peut être fatale à son utilisateur. Or, il s’avère que cette croyance est fausse pour plusieurs raisons.

D’abord, il est à noter qu’un objet allongé fait de métal ferromagnétique plongé dans un champ magnétique intense aura la tendance à s’orienter selon les lignes de champ magnétique, de la même manière qu’une boussole. Donc si quelqu’un entrait dans un IRM avec une tige d’acier dans les mains, cette tige s’orienterait dans le même axe que la personne (puisqu’elle est parallèle au champ de l’appareil).

Ensuite, l’utilisateur de l’IRM est toujours dénudé de tout métal avant de passer dans l’appareil et les seules pièces métalliques qui peuvent encore être sur l’individu sont les prothèses internes qu’il peut posséder (pensons aux tiges pour réparer les os et les remplacements d’articulation). De plus, nous savons tous très bien que seuls les métaux ferromagnétiques (Fer, Nickel, Cobalt) peuvent subir l’influence d’un champ magnétique. Nous savons aussi que les prothèses internes sont dans bien des cas faites de titane plaqué avec du cobalt. Il existe aussi des prothèses en polymères ou en aluminium. Ainsi, ce n’est pas un banal plaquage de cobalt qui pourrait blesser quelqu’un mortellement, car la quantité est infime.

Le mythe prédit aussi que les tatouages dans l’IRM peuvent brûler la peau de son porteur. Il y a effectivement des pigments dans les tatouages qui sont fait à partir de fer, mais celui-ci est sous forme ionique, ce qui lui enlève ses propriétés ferromagnétiques. Donc le fer ionisé est complètement sans réaction face au champ magnétique.

Les deux images suivantes sont identiques, sauf que l'une a été créée en présence de métal, d'où sa déformation évidente. La raison pourquoi l'image est déformée est que le métal ferromgnétique perturbe localement le champ magnétique de l'IRM, ce qui a comme effet de fausser le signal enregistré. C'est ainsi puisque la qualité de l'image dépend intimement de l'homogénéité du champ magnétique créé par l'appareil. C'est le seul inconvénient que peut amener le métal dans un IRM.

En somme, les chances d’être blessé par un IRM sont presque nulles. Bonne nouvelle!

À partir de :

www.chu-rouen.fr/radiologie/artefacts.ppt

http://fr.wikipedia.org/wiki/Proth%C3%A8se_de_hanche