lundi, 13 mars 2023
Journal de bord de notre cerveau à tous les niveaux : fonctionnement et principes physiques derrière quelques techniques d’imagerie cérébrale
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Étant toujours dans la phase de relecture finale de mon livre jusqu’à la fin du printemps, je continue son « journal de bord » en y publiant certains encadrés qui n’ont pu, faute d’espace, trouver leur place dans le bouquin. Celui-ci entretenant déjà des rapports étroits avec le site web Le cerveau à tous les niveaux et son blogue grâce à différents renvois, cette conversion ne fait donc qu’étendre une approche déjà présente depuis le début du projet. Je poursuis donc aujourd’hui le « nettoyage » du chapitre 5 avec un encadré sur le mode de fonctionnement et les principes physiques derrière quelques techniques d’imagerie cérébrale présentées dans le livre, soit l’imagerie par résonance magnétique (IRM), la tractographie ou IRM de diffusion, la tomographie par émission de positrons (TEP ou PET scan, en anglais) et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf).
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En quelques mots, le principe de fonctionnement de l’imagerie par résonance magnétique (IRM), va comme suit. Le champ magnétique de l’appareil de résonance magnétique va aligner celui, beaucoup plus faible, de chaque proton des atomes d’hydrogène contenus dans l’eau des différents tissus de l’organisme. La région dont on veut avoir une image est ensuite bombardée par des ondes radios qui vont « désenligner » ce que le champ magnétique avait aligné au niveau des protons. À l’arrêt des ondes radios, les protons retournent alors à leur alignement original en émettant un faible signal radio : c’est la fameuse « résonance magnétique ». L’intensité de la résonance magnétique est proportionnelle à la densité des protons dans le tissu, et par conséquent à son taux d’hydratation. Des capteurs spéciaux relaient cette information à un ordinateur qui combine ces données pour créer des images de coupe du tissu dans différentes orientations.
Le fonctionnement de la tractographie ou IRM de diffusion (p.49 à 59) s’appuie pour sa part sur le fait que les molécules subissent un mouvement de diffusion à cause de l’agitation thermique. C’est essentiellement la diffusion des molécules d’eau qui va être enregistrée grâce à un appareil d’IRM. Normalement, s’il n’y a pas d’obstacles, l’agitation se fait dans toutes les directions. Mais elle peut être contrainte par des tissus biologiques et se retrouver à s’agiter dans une direction plutôt qu’une autre. C’est ce qui arrive à proximité des faisceaux d’axones où ces molécules se retrouvent à s’agiter très légèrement dans le même axe que les fibres nerveuses tout simplement parce qu’il y a moins d’obstacles dans ce sens-là. Eh bien aussi incroyable que cela puisse paraître, on réussit avec des calculs complexe à cerner une direction préférentielle d’agitation pour chaque petit voxel cubique que l’IRM enregistre, l’équivalent du pixel d’une image en 2D pour le 3D. Et en reliant ensuite tous les voxels qui vont dans la même direction, on obtient une ligne dont la trajectoire révèle la présence d’un faisceau d’axone à cet endroit ! Ensuite, il s’agira d’assigner une couleur aux fibres selon un code de couleur représentant les trois axes d’un espace tridimensionnel.
Pour comprendre un peu le principe de fonctionnement de la tomographie par émission de positrons (TEP ou PET scan, en anglais), il faut savoir que les fameux positons émis par la dégradation radioactive d’une substance préalablement injectée au sujet est une particule élémentaire ayant la même masse qu’un électron mais une charge de signe opposé. Dès qu’ils sont émis, ils vont donc immédiatement s’annihiler avec les électrons des atomes voisins. Cette annihilation produit de l’énergie qui prend la forme de deux rayons gamma émis dans des directions diamétralement opposées. Le PET scan possède une série de détecteurs placés autour de la tête du sujet qui sont capables d’enregistrer les couples de rayons gamme émis. Par la suite, des calculs faits par un ordinateur permettent d’identifier précisément dans l’espace leur lieu d’émission. Le PET étant couplé à un scanner classique à rayons X, on peut superposer les deux cartes et voir dans quelles structures cérébrales ont eu lieu les activations. L’ordinateur génère un code de couleur selon l’intensité du signal et on peut donc manipuler les images en 3D tout en voyant l’étendue et l’intensité des régions activées.
Finalement, pour expliquer le principe de fonctionnement de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), il faut partir du fait que les globules rouges du sang transportent l’oxygène fixée par l’hémoglobine, une protéine possédant un atome de fer. En libérant l’oxygène dans les tissus du corps, celle-ci devient de la désoxy-hémoglobine. Or l’hémoglobine et la désoxy-hémoglobine ont des propriétés magnétiques différentes que détecte l’appareil d’IRMf. Celui-ci doit toutefois également pondérer sa réponse en fonction de la dilatation des vaisseaux sanguins autour de ces neurones plus actifs. Ce signal complexe a reçu le nom de BOLD, de l’anglais blood-oxygen-level dependent, donc un signal « dépendant du niveau d’oxygène sanguin ». L’IRMf, comme le PET scan, est donc aussi une mesure indirecte de l’activité neuronale. Et bien sûr, c’est toujours une activité différentielle issue d’une soustraction entre un état contrôle et celui lors d’une tâche.
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