L’imagerie ultrarapide révèle l’activité cérébrale avec des détails sans précédent
Les ingénieurs biomédicaux de l’Université Duke ont développé une méthode pour scanner et imager le flux sanguin et les niveaux d’oxygène à l’intérieur d’un cerveau de souris en temps réel avec une résolution suffisante pour visualiser l’activité des vaisseaux individuels et du cerveau entier à la fois.
Cette nouvelle approche d’imagerie brise les barrières de vitesse et de résolution de longue date dans les technologies d’imagerie cérébrale et pourrait révéler de nouvelles informations sur les maladies neurovasculaires telles que les accidents vasculaires cérébraux, la démence et même les lésions cérébrales aiguës.
La recherche est parue le 17 mai dans la revue Nature Lumière : science et applications.
L’imagerie du cerveau est un exercice d’équilibre. Les outils doivent être suffisamment rapides pour capturer des événements rapides, comme un déclenchement de neurone ou du sang circulant dans un capillaire, et ils doivent montrer une activité à différentes échelles, que ce soit dans tout le cerveau ou au niveau d’une seule artère.
« Vous pouvez réaliser ces choses individuellement, mais il est très difficile de les faire tous ensemble », a déclaré Junjie Yao, professeur adjoint de génie biomédical à Duke. « C’est comme choisir entre une voiture rapide, petite et inconfortable, ou une grande voiture spacieuse qui ne dépasse pas 50 km/h. Pendant longtemps, il n’y avait aucun moyen d’obtenir tout ce que vous vouliez en même temps.
Dans leur nouvelle étude, Yao et son équipe expliquent comment ils ont résolu ce compromis de longue date en développant la microscopie photoacoustique ultrarapide, ou UFF-PAM.
La microscopie photoacoustique utilise les propriétés de la lumière et du son pour capturer des images détaillées d’organes, de tissus et de cellules dans tout le corps. La technique utilise un laser pour envoyer de la lumière dans un tissu ou une cellule ciblée. Lorsque le laser frappe la cellule, il chauffe et se dilate instantanément, créant une onde ultrasonore qui retourne vers un capteur.
UFF-PAM s’appuie sur une combinaison d’avancées matérielles et d’algorithmes d’apprentissage automatique pour mettre à niveau la technique. Côté matériel, un système de balayage polygonal envoie plus de rafales laser sur une plus grande surface tandis qu’un nouveau mécanisme de balayage permet au scanner laser et au capteur à ultrasons de fonctionner en même temps. Selon Yao, ces changements ont doublé la vitesse de leur appareil, faisant de l’UFF-PAM la technologie d’imagerie la plus rapide de la communauté photoacoustique.
Yao et son équipe ont ensuite développé un algorithme d’apprentissage automatique qui a amélioré la résolution de leurs images. Ils l’ont formé pour identifier la vascularisation dans le cerveau en utilisant plus de 400 images de cerveaux de souris recueillies lors d’expériences précédentes. Bien que chaque cerveau soit unique, l’algorithme a appris à identifier les structures communes et a utilisé ces connaissances pour combler les pixels précédemment manquants.
« Les images résultantes semblaient aussi détaillées que les images haute résolution que nous obtiendrions habituellement si nous allions à une vitesse beaucoup plus lente, et nous n’avions pas besoin de sacrifier un champ de vision complet », a déclaré Yao.
Comme preuve de concept, l’équipe a utilisé UFF-PAM pour visualiser comment les vaisseaux sanguins d’un cerveau de souris réagissaient à l’hypoxie, à l’hypotension induite par les médicaments et à l’AVC ischémique. Au cours du défi de l’hypoxie, l’UFF-PAM a suivi la façon dont l’oxygène se déplaçait dans le cerveau et a montré que de faibles niveaux d’oxygène provoquaient la dilatation des vaisseaux sanguins.
Dans le deuxième défi, l’équipe a utilisé le médicament nitroprussiate de sodium (SNP), qui est couramment utilisé pour traiter l’hypertension artérielle. Auparavant, les chercheurs pensaient que le SNP provoquait la dilatation de tous les vaisseaux sanguins du cerveau. Mais Yao et son équipe ont plutôt montré que seuls les gros vaisseaux sanguins s’ouvrent, tandis que les petits vaisseaux sanguins se contractent.
« Parce que nous avons rapidement obtenu une vue haute résolution des plus petits vaisseaux, nous avons vu que la dilatation n’est pas réellement la réponse universelle au médicament », a déclaré Yao. « Nous avons vu que ces petits vaisseaux ne pouvaient pas fournir suffisamment d’oxygène et de nutriments aux tissus, ce qui a causé des dommages. »
Dans le défi final, l’équipe a utilisé UFF-PAM pour observer comment le cerveau réagit à l’AVC et commence à récupérer. L’équipe a constaté qu’immédiatement après un AVC, les vaisseaux sanguins de la zone touchée se contractaient. Cela provoque également la constriction de leurs vaisseaux voisins dans un phénomène appelé onde de dépolarisation en expansion. En raison du large champ de vision et de la vitesse d’imagerie élevée, l’équipe a pu localiser avec précision la position de départ de l’onde et suivre son mouvement au fur et à mesure de sa propagation dans le cerveau.
Pour l’avenir, l’équipe vise à utiliser l’UFF-PAM pour explorer d’autres modèles de maladies cérébrales, comme la démence, la maladie d’Alzheimer ou même le Long COVID. Ils prévoient également d’étendre l’utilisation de l’outil en dehors du cerveau pour visualiser des organes comme le cœur, le foie et le placenta. Ces organes ont traditionnellement été difficiles à imager car ils sont toujours en mouvement, de sorte que les outils d’imagerie doivent fonctionner à une vitesse plus rapide.
« Nous pouvons faire beaucoup avec cette technologie maintenant que nous avons résolu ces obstacles de longue date », a déclaré Yao. « Nous essayons de sélectionner les projets les plus difficiles sur lesquels travailler afin de maximiser l’impact de cette technologie. »
Ce travail a été soutenu par des subventions des National Institutes of Health (R01 EB028143, R01 NS111039, RF1 NS115581, R21 EB027304, R21EB027981, R43 CA243822, R43 CA239830, R44 HL138185), et l’American Heart Association Collaborative Sciences Award (18CSA3408027). Subvention de l’initiative Chan Zuckerberg sur l’imagerie des tissus profonds 2020-226178 par la Silicon Valley Community Foundation.
Référence: Zhu X, Huang Q, DiSpirito A, et al. Imagerie en temps réel du cerveau entier de l’hémodynamique et de l’oxygénation à la résolution des micro-vaisseaux avec microscopie photoacoustique à champ large ultrarapide. Application sci légère. 2022;11(1):138. doi : 10.1038/s41377-022-00836-2
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