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© Angela Erhard

11-10-2017

Pour la toute première fois, une équipe de scientifiques et des cliniciens dirigée par le chercheur Mickael Tanter, financé par l'UE, a réussi à enregistrer l'activité cérébrale d'un nouveau-né prématuré en phase de repos et lors d'une crise d'épilepsie. À l'aide d'une technologie d'échographie non invasive, cette première mondiale marque un véritable tournant dans le domaine de la recherche et la pratique médicale. Elle offre par ailleurs une vaste gamme d'applications en neuroimagerie et au-delà. L'étude est publiée aujourd'hui dans Science Translational Medicine.

Destinée à l’imagerie cérébrale, cette technologie révolutionnaire d'échographie à haute résolution, rapide, sûre et portable, a été développée par le professeur Tanter et son équipe interdisciplinaire à INSERM à l'Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielle de la Ville de Paris (ESPCI Paris), avec le soutien du Conseil européen de la recherche (ERC).

La technique est non invasive et peut être utilisée au chevet des patients, contrairement aux outils actuels tels que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), la tomographie par émission de positons (TEP) ou le scanner. Malgré leur haut niveau de performance, ces derniers se caractérisent par leur taille imposante, peuvent s'avérer bruyants, coûteux, et ils requièrent un long examen souvent perturbant pour les patients

Le nouveau procédé de Tanter est basé sur l'échographie, une méthode qui repose sur la génération d'images par le rebondissement des ondes ultrasonores. Communément utilisé par les médecins - par exemple pendant la grossesse – c'est la première fois qu'une telle technique est appliquée aux neurosciences. Alors que l'échographie traditionnelle ne permettait d'imager que le flux sanguin des plus gros vaisseaux du cerveau, pour voir l'activité neuronale subtile des plus petits vaisseaux, où le flux sanguin est moins intense, une sensibilité accrue de l'imagerie s'avérait indispensable.

L'objectif a été atteint par l'équipe du professeur Tanter, grâce à la combinaison d'une vitesse d'imagerie ultra-rapide et des algorithmes spécifiques pour le traitement des images. L'enregistrement de l'activité cérébrale des nouveau-nés prématurés présenté aujourd'hui est le fruit d'une collaboration étroite entre le chercheur et son collègue, le Professeur Olivier Baud, pédiatre et responsable du service de néonatalogie de l’hôpital Robert Debré à Paris. Il marque un véritable précédent, en permettant l'arrivée des ultrasons dans le monde des neurosciences cliniques.  


Des ondes sonores traditionnelles à une imagerie fonctionnelle cérébrale sophistiquée

La première tentative de Mickael Tanter pour développer la technologie des ultrasons remonte à 1999. Avec son équipe, il a été l'un des pionniers de l'imagerie ultrasonore ultrarapide basée sur la transmission d'ondes planes, à la place des transmissions séquentielles habituelles. À l'époque, grâce à un algorithme complexe, leur échographe à la pointe de la technologie pouvait déjà produire plus de 10,000 images ultrasoniques par seconde (fps), comparativement aux 50 fps habituels des techniques conventionnelles d'échographie.

"La machine était aussi grande qu'un placard et nous avions besoin de 45 minutes pour traiter toutes les données recueillies. Même si nous avions réussi à faire de l'imagerie ultrasonore ultra-rapide, le développement technologique dans les années 2000 nous limitait fortement dans le traitement des images et le processus était finalement beaucoup plus lent que celui de la méthode Doppler conventionnelle. Il aura fallu attendre 2008 et un développement suffisant de l'informatique pour pouvoir construire une machine en temps réel", explique le professeur Tanter.

Ce premier développement a néanmoins été déterminant, puisque pour la première fois, des ultrasons à haute résolution et 50 fois plus sensibles ont permis à l'équipe des chercheurs d'imager les vaisseaux sanguins du cerveau plus petits et les plus profonds. Avec cette technologie, Tanter a pu aussi mesurer des paramètres nouveaux, avec des applications directes dans le champ clinique:

"Grâce à cette imagerie ultrarapide, nous avons pu observer les vibrations mécaniques du corps, comme celles produites par le rythme cardiaque et la respiration. En focalisant le faisceau ultrasonore rapide sur un organe spécifique, nous sommes en mesure de créer une vibration et "palper", de manière non invasive, une partie spécifique du corps, comme un médecin le ferait de ses mains s'il pouvait atteindre les organes internes. Cette "sismologie" du corps humain est essentielle dans la pose du diagnostic. Nous pouvons désormais mesurer la raideur d'une lésion, identifier sa nature bénigne ou maligne et repérer les tissus cancéreux", ajoute Mickael Tanter.


Des applications concrètes dans le champ clinique et de la recherche

La recherche du Prof. Tanter est désormais passée à la vitesse supérieure grâce au développement d'une technique de neuroimagerie fonctionnelle (fUS) avec une puissance de calcul massive pour le traitement des images ultrasonores rapides. Celle-ci permet de révéler la connectivité fonctionnelle du cerveau, y compris des interactions et des séquences complètes jamais observées auparavant, telles que la propagation des crises d'épilepsie.

Contrairement à l'IRMf, la neuroimagerie fonctionnelle est légère, portable, bon marché, peut être utilisée chez les animaux en mouvement, ainsi qu'en chirurgie, offrant ainsi d'immenses applications cliniques et de nouvelles voies pour la recherche fondamentale.

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Coupe coronale du réseau vasculaire cérébral, obtenue de façon non-invasive par imagerie Doppler ultrasonore ultrarapide chez un nouveau-né prématuré.  Crédits : Inserm U979 "Physique des Ondes pour la Médecine", Institut Langevin Ondes et Images

"Avec cette technique, nous avons observé les cerveaux des bébés prématurés à travers la fontanelle et pouvons identifier les mécanismes sous-jacents de certaines pathologies ou troubles neurologiques tels que les crises néonatales et les hémorragies", souligne le chercheur financé par l'Union européenne. L'échographie fonctionnelle peut également être utilisée chez l'adulte, tant en neurochirurgie qu'en imagerie transcrânienne, puisque des nouvelles techniques adaptées de focalisation, permettent désormais de surmonter les fortes aberrations induites par l'os du crâne sur les fronts d'ondes ultrasonores.

Vidéo du cerveau de rat en 3D obtenue par tomographie Doppler ultrarapide (relative à la publication Demené et al., 4D microvascular imaging based on ultrafast Doppler tomography, NeuroImage, 2016.

Dans un avenir proche, la résolution de l'imagerie fUS pourrait être encore améliorée grâce à une technique d'échographie "super-résolution" récemment développée par la même équipe de recherche. Toute l'activité fonctionnelle du cerveau pourrait alors être imagée à l'échelle microscopique: un nouveau monde pour les neurosciences.

"Tout ceci est le résultat d'interactions humaines", explique le professeur Tanter, en faisant référence à son équipe interdisciplinaire de physiciens, de neurobiologistes, d'électrophysiologistes, de neurochirurgiens et des pédiatres néonatologues. «C'est grâce à eux que l'on a pu trouver de nouvelles réponses. Les possibilités qui s'offrent à nous sont infinies, allant de l'augmentation de la résolution de l'image, à l'exploration des alternatives aux méthodes de contraste actuellement utilisées en IRMf».

Mickael Tanter dirige l’unité INSERM U979 «Wave Physics for Medicine» à l'Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielle de la Ville de Paris (ESPCI Paris), France.