Un professeur de Caltech développe une nouvelle technologie pour l’imagerie du cerveau humain – Pasadena Now

Un professeur de Caltech, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Californie du Sud, a démontré pour la première fois une nouvelle technologie d’imagerie du cerveau humain à l’aide de la lumière laser et des ondes sonores ultrasonores.

La technologie, connue sous le nom de tomographie informatisée photoacoustique, ou PACT, a été développée par Lihong Wang, professeur Bren de génie médical et de génie électrique, en tant que méthode d’imagerie des tissus et des organes. Les versions précédentes de la technologie PACT se sont avérées capables d’imager les structures internes du corps d’un rat ; PACT est également capable de détecter des tumeurs dans les seins humains, ce qui en fait une alternative possible aux mammographies.

Maintenant, Wang a apporté de nouvelles améliorations à la technologie qui la rendent si précise et sensible qu’elle peut détecter des changements même infimes dans la quantité de sang circulant dans de très petits vaisseaux sanguins ainsi que le niveau d’oxygénation de ce sang. Étant donné que le flux sanguin augmente dans des zones spécifiques du cerveau pendant les tâches cognitives – le flux sanguin augmentera vers le cortex visuel pendant que vous regardez un film, par exemple – un appareil qui montre les changements de concentration sanguine et d’oxygénation peut aider les chercheurs et les professionnels de la santé à surveiller l’activité cérébrale . C’est ce qu’on appelle l’imagerie fonctionnelle.

« En imagerie du sein, vous voulez juste voir les vaisseaux sanguins car ils peuvent révéler la présence d’une tumeur [tumors secrete chemicals that stimulate blood vessel formation] », dit Wang. « Mais le changement fonctionnel de l’activité cérébrale imagée n’est que de quelques pour cent de changement dans le signal de base. C’est plus qu’un ordre de grandeur plus difficile à mesurer.

Auparavant, ce type d’imagerie était réalisé uniquement avec des machines d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), qui utilisent des ondes radio et des champs magnétiques 100 000 fois plus puissants que le champ magnétique terrestre pour surveiller les niveaux d’oxygène dans le sang. Les machines fonctionnent bien et sont une technologie mature, mais elles présentent certains inconvénients. D’une part, ils sont très chers, coûtant jusqu’à quelques millions de dollars chacun. Un autre inconvénient est que les champs magnétiques intenses créés par la machine nécessitent des précautions particulières, car les objets contenant du fer comme certains outils médicaux, ainsi que les implants chirurgicaux, peuvent être tirés avec une grande force par la machine. Un appareil d’IRM nécessite également que le patient soit placé dans un tube étroit pendant l’imagerie, ce qui peut être inconfortable pour les personnes souffrant de claustrophobie.

En revanche, la technologie de Wang est beaucoup plus simple, peu coûteuse et compacte, et ne nécessite pas que le patient soit placé à l’intérieur de la machine.

Il fonctionne en projetant une impulsion de lumière laser dans la tête. Lorsque la lumière traverse le cuir chevelu et le crâne, elle est diffusée dans le cerveau et absorbée par les molécules d’hémoglobine transportant l’oxygène dans les globules rouges du patient. L’énergie que les molécules d’hémoglobine captent de la lumière les fait vibrer par ultrasons. Ces vibrations reviennent à travers les tissus et sont captées par un réseau de 1 024 minuscules capteurs à ultrasons placés autour de l’extérieur de la tête. Les données de ces capteurs sont ensuite assemblées par un algorithme informatique en une carte 3D du flux sanguin et de l’oxygénation dans tout le cerveau.

Pour tester la technologie chez l’homme, Wang a travaillé avec Jonathan Russin, professeur adjoint de chirurgie neurologique clinique à la Keck School et directeur associé du USC Neurorestoration Center ; Danny J Wang, professeur à l’USC Institute for Neuroimaging and Informatics; et Charles Liu, professeur de chirurgie neurologique clinique à la Keck School et directeur du USC Neurorestoration Center.

Après un traumatisme crânien grave, certains patients subissent une hémicraniectomie décompressive, une procédure salvatrice au cours de laquelle une grande partie du crâne est retirée pour contrôler la pression due au gonflement du cerveau. Liu et Russin travaillent avec de nombreux patients de ce type au Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center à Downey, en Californie, où Liu est chef de l’innovation et de la recherche. Après s’être remis d’une blessure aiguë, mais avant la chirurgie de reconstruction du crâne, certains patients ont participé à cette étude pour déterminer le fonctionnement de la technologie d’imagerie.

« Un obstacle que nous devons encore surmonter est le crâne », a déclaré Wang. « C’est une lentille acoustique, mais elle est mauvaise, donc elle déforme également notre signal avec l’atténuation. C’est comme regarder dehors à travers une fenêtre ondulée », dit-il. «Mais ils ont une population de patients qui ont eu des hémicraniectomies. Il leur manque une partie de leur crâne, nous pouvons donc les imager. »

« La neuroimagerie est au cœur du développement de nouveaux paradigmes de traitement, et cette démonstration est une étape très importante vers le développement d’un nouvel outil percutant pour compléter les approches actuelles telles que les techniques basées sur l’IRM », a déclaré Russin.

Liu est d’accord, ajoutant que « bon nombre des approches thérapeutiques les plus excitantes pour la restauration fonctionnelle impliquent des stratégies de neuromodulation qui ne peuvent pas être étudiées dans l’environnement IRM, et nous sommes impatients d’utiliser cette nouvelle technologie pour mieux comprendre et affiner nos traitements. De nombreux participants à cette étude pourraient finalement avoir besoin de nouveaux traitements, c’est donc un excellent moyen d’aider à développer un outil qui leur sera finalement bénéfique. »

Pour imager un patient, l’équipe de recherche lui rase la tête (une étape que Wang dit qu’ils essaient d’éliminer) afin que la lumière laser puisse éclairer son cuir chevelu. Le patient s’allonge ensuite sur une table, la tête reposant partiellement dans un bol contenant la source laser, les capteurs à ultrasons et de l’eau. L’eau agit comme un « médiateur », couplant acoustiquement les capteurs à la surface du cuir chevelu et leur permettant de capter efficacement les signaux, explique Wang. Il est analogue au gel qui est placé sur la peau lorsqu’un patient subit une échographie.

À l’avenir, Wang dit que la recherche devra se concentrer sur la résolution des problèmes causés par les cheveux et le crâne. Il a dit qu’il pourrait être possible d’éviter de raser la tête d’un patient si des fibres optiques peuvent être utilisées pour délivrer les impulsions de lumière laser entre les follicules pileux sur le cuir chevelu. Et il espère également utiliser à terme la technologie sur des patients dont le crâne est intact.

« Nous avons besoin d’un moyen de contrer la distorsion causée par le crâne », dit-il, ajoutant qu’un tel « objectif » correctif sera très probablement un algorithme de traitement de données plus puissant qui peut compenser la distorsion lorsqu’il assemble une image.

Un article décrivant la technologie, intitulé « Tomographie calculée photoacoustique fonctionnelle massivement parallèle du cerveau humain », paraît dans le numéro du 31 mai de la revue. Nature Génie Biomédical. Les co-auteurs de Caltech sont des chercheurs postdoctoraux associés Shuai Na et Li Lin (PhD ’20); Peng Hu, étudiant diplômé en génie médical; Konstantin Maslov, membre du personnel scientifique du département de génie médical Andrew et Peggy Cherng ; Junhui Shi, ancien chercheur postdoctoral maintenant aux laboratoires de Zhijiang ; et Xiaoyun Yuan, ancien chercheur invité, maintenant à l’Université Tsinghua de Pékin. Les co-auteurs de l’USC sont Jonathan Russin, Charles Y. Liu, Kay Jann, Lirong Yan et Danny Wang.

Le financement de la recherche a été fourni par les National Institutes of Health.