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Démystifier la recherche sur le cerveau – neuroimagerie

22 Juin 2018

La science n’a pas encore réussi à percer les mystères du cerveau malgré des siècles de recherche. Bien sûr, des progrès ont été accomplis au cours de 25 dernières années, mais les pistes à explorer restent nombreuses, qu’il s’agisse de l’évolution de la conscience humaine, des dédales de la mémoire ou même de l’origine de centaines de troubles neurologiques. Grâce à de nouvelles percées technologiques, les chercheurs ont réussi à créer des outils et des techniques pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau et ses interconnexions, et pour apprendre comment réparer les ravages d’une maladie ou d’une lésion. 

Au cœur des avancées en matière de recherche sur le cerveau se trouve la neuroimagerie. Cette importante technique d’imagerie du cerveau emprunte différents moyens non invasifs pour examiner le cerveau afin d’en visualiser la structure ou la fonction directement ou indirectement.

Les types d’imagerie sont nombreux et il s’en rajoute de nouveaux chaque année. La plupart des gens en connaissent les différents acronymes (IRM, TDM, EEG, etc.) sans toutefois comprendre les subtilités de leur fonctionnement ni du type d’information qu’ils procurent. (La barre latérale présente un résumé des méthodes d’imagerie les plus courantes.) Règle générale, les techniques d’imagerie servent à illustrer 1) la structure ou l’anatomie du cerveau ainsi que les altérations causées par des tumeurs, lésions et AVC, ou 2) la fonction du cerveau, c’est-à-dire à visualiser le lien entre des fonctions données et l’activité dans certaines zones du cerveau. Certaines méthodes parviennent à combiner deux types d’imagerie de manière à révéler à la fois la structure et la fonction.

Types d’imagerie

L’imagerie par résonance magnétique (IRM)

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est couramment utilisée en neuroimagerie. Cette méthode produit une image du cerveau à l’aide de champs magnétiques et d’ondes radio. Depuis son avènement dans les années 50, l’IRM est devenue beaucoup plus sophistiquée et précise alors que les images de masses floues ont cédé le pas aux détails aussi petits qu’un grain de sable. Outre sa résolution plus pointue, l’IRM fait aussi l’objet d’efforts pour ouvrir de nouvelles fenêtres sur le cerveau. Par exemple, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) mesure l’activité cérébrale d’après la circulation sanguine dans le cerveau. Cette technique part du principe que la circulation sanguine sera plus prononcée dans les zones du cerveau qui sont sollicitées.

Imagerie en tenseur de diffusion

Une autre forme d’IRM baptisée imagerie en tenseur de diffusion, ou ITD, utilise le déplacement des molécules d’eau dans les faisceaux de matière blanche du cerveau. Outre les illustrations saisissantes qu’elle produit (image de gauche), cette technique est devenue un incontournable pour révéler les dommages à la matière blanche causés notamment par des traumatismes cérébraux.

La science a tôt fait d’adopter ces nouvelles technologies et techniques en les intégrant dans les protocoles de recherche.

Applications de l’imagerie en matière de recherche sur le cerveau

Encore aujourd’hui, il n’est pas possible de détecter la maladie d’Alzheimer avant qu’elle ne ravage les facultés mentales. Or, le nombre de cas est appelé à exploser en regard du vieillissement de la population, de sorte qu’il faut absolument trouver un moyen de la dépister plus rapidement. Dans cette perspective, la science fonde beaucoup d’espoir sur la neuroimagerie. Elle sert déjà à écarter d’autres conditions dont les symptômes s’apparentent à l’alzheimer mais qui exigent des traitements différents, notamment l’ACV, les tumeurs et les lésions. L’une des pistes de recherche s’intéresse à l’atrophie de certaines zones cérébrales et à la mise au point de marqueurs d’imagerie qui permettront d’établir un diagnostic précoce d’alzheimer.

Des travaux similaires portent sur l’autisme pour lequel un diagnostic précoce (avant l’apparition des symptômes) favoriserait des interventions et traitements très tôt dans le processus afin d’améliorer le sort des enfants aux prises avec ce trouble.

L’imagerie a aussi changé la donne en ce qui concerne la douleur chronique. Des chercheurs sont parvenus à cerner différentes zones du cerveau qui s’activent en réaction à la douleur chronique. Cette percée est certes révélatrice des causes de cette condition débilitante, mais elle est aussi un baume pour ceux que la douleur tourmente, car elle amène une preuve tangible de leurs maux.

Quant à la sclérose en plaques (SP), des chercheurs utilisent l’IRM pour évaluer la réponse au traitement, ce qui permettrait de prédire la progression de la maladie de chaque patient. Enfin, l’imagerie a aussi ouvert de nouveaux horizons sur les mécanismes psychologiques de la SP.

L’imagerie et les projets de la Fondation Brain Canada*

Plusieurs projets financés par la Fondation Brain Canada exploitent l’imagerie pour faire la lumière sur les troubles neurologiques.

D’ailleurs, l’imagerie s’avère un outil de recherche indispensable à la recherche des traitements qui font cruellement défaut. Le cerveau est protégé des corps étrangers par une barrière étanche nommée barrière hémato-encéphalique (BHE). Certes, elle protège le cerveau contre les toxines et autres menaces, mais du même coup elle bloque les agents thérapeutiques dont les effets seraient autrement plus bénéfiques.  Grâce à une subvention conjointe de la Fondation Brain Canada et du CQDM ainsi que de Santé Canada par le truchement du Fonds canadien de recherche sur le cerveau, Nathan Yoganathan, de KalGene Pharmaceuticals, dirigera un projet à titre d’investigateur principal visant à percer la BHE. L’équipe de Nathan Yoganathan tente d’introduire subrepticement une molécule dans le cerveau afin de traiter la maladie d’Alzheimer. Or, c’est précisément l’imagerie qui déterminera si la molécule a traversé la BHE et produit l’effet escompté (dans ce cas-ci, se lier à l’amyloïde, une substance associée à l’apparition de l’alzheimer). Cliquez ici pour obtenir de plus amples renseignements sur ce projet.

More info on this project

Environ un jeune sur cinq souffre d’un trouble mental, alors que 75 % des maladies mentales graves (MMG) chroniques et persistantes surviennent entre l’âge de 10 et 24 ans. Il importe donc de comprendre les effets qu’exercent des facteurs clés sur la neurobiologie d’un cerveau en développement afin de bien cerner les interactions qui favorisent l’apparition d’une MMG. Dans le cadre d’un projet subventionné par la Fondation Brain Canada, l’équipe de Jean Addington emprunte une méthode pluridimensionnelle destinée à prédire les MMG. Les chercheurs étudieront un important groupe de jeunes âgés de 14 à 25 ans vivant à Calgary et à Toronto et qui présentent divers degrés de risque de contracter une MMG. Ils évalueront une large gamme de facteurs cliniques et psychosociaux afin d’identifier ceux qui peuvent servir à prédire des résultats clés. Dans le cadre des travaux, les participants subiront une imagerie du cerveau afin de déterminer si la neuroimagerie permet de distinguer les jeunes qui finiront par être atteints d’une MMG.  (Cliquez ici pour obtenir de plus amples renseignements sur ce projet.)

Dans le domaine du cancer du cerveau, l’équipe de David Stojdl cherche à traiter les tumeurs de cerveau par différents moyens. À cette fin, les chercheurs ont mis au point une biothérapie exploitant un virus oncolytique (anticancer) conçu pour s’attaquer au glioblastome multiforme (GBM), un cancer du cerveau dévastateur. Le virus Farmington détruit les cellules cancéreuses sans altérer les cellules saines du cerveau et, contrairement à tous les autres virus oncolytiques, il peut être injecté à forte dose dans le cerveau sans problème. Grâce à la Subvention pour un impact de la Société canadienne du cancer, et au financement conjoint de la Fondation Brain Canada et de Santé Canada par le truchement du Fonds canadien de recherche sur le cerveau, les chercheurs ont remodelé le virus Farmington afin qu’il incite le système immunitaire du patient à attaquer la tumeur du cerveau. Ils utiliseront l’IRM pour vérifier si la tumeur se résorbe en réaction au virus. (Cliquez ici pour obtenir de plus amples renseignements sur ce projet.)

Contraintes actuelles de l’imagerie

La neuroimagerie comporte encore son lot de défis et de contraintes malgré les progrès accomplis à ce jour. D’autres projets financés par la Fondation Brain Canada ont déjà entrepris de s’y attaquer.

Le coût de la neuroimagerie est un aspect prohibitif qui rebute de nombreuses PME en démarrage, notamment les sociétés de biotechnologie. Une équipe établie en Nouvelle-Écosse a fondé BIOTIC, un centre qui offre aux PME un accès à de l’équipement d’imagerie de pointe. BIOTIC est un établissement de recherche en milieu hospitalier qui se consacre à la transition clinique et commerciale de nouvelles technologies en neuroscience. Grâce à la subvention de plateforme technologique, les chercheurs favorisent l’introduction d’une technologie en milieu hospitalier afin de la mettre à l’épreuve à faible coût et dans un cadre scientifique et éthique rigoureux. (Cliquez ici pour obtenir de plus amples renseignements sur ce projet.)

La neuroimagerie produit des montagnes de données sous forme d’images en haute résolution. Cependant, pour arriver à recueillir, partager et analyser une information aussi détaillée, il faut utiliser un système capable de traiter d’énormes quantités de données. Le Pr Evans et son équipe de l’Institut neurologique de Montréal ont mis au point la plateforme CBRAIN (Canadian Brain Imaging Research Platform), un portail Web qui donne accès aux outils dont les chercheurs ont besoin pour traiter des données de neuroimagerie à grande échelle. La plateforme permet de relier plus de 300 chercheurs travaillant dans des centres d’imagerie du cerveau au Canada et ailleurs dans le monde, facilitant ainsi le partage de données d’imagerie cérébrale complexes en 3D et en 4D qui ont été recueillies dans le cadre de vastes projets de recherche multicentriques. Dans le cadre de la subvention de plateforme technologique de la Fondation Brain Canada, la plateforme est utilisée à l’heure actuelle dans le but de mettre au jour la cause des principaux troubles neurologiques ayant un impact sur la société, notamment l’autisme, la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et la sclérose en plaques. (Cliquez ici pour obtenir de plus amples renseignements sur CBRAIN.)

La recherche en neuroimagerie souffre d’une absence d’uniformisation tant au chapitre de l’acquisition d’images que de l’analyse subséquente des images. De ce fait, il est souvent impossible de comparer les résultats entre deux études ou même différents sites de recherche (parfois de la même université). L’équipe de Christopher Anderson met à profit la subvention de plateforme technologique offerte par la Fondation Brain Canada pour remédier au problème de normalisation dans tous les départements de l’Université du Manitoba. Ensemble, ils ont mis au point la plateforme de neuroimagerie du Manitoba afin que les chercheurs des différents départements de l’université puissent traiter les données d’imagerie rapidement, uniformément et avec fiabilité, même si leurs travaux s’intéressent à différentes maladies. Celle-ci offre une puissante capacité de traitement et comporte un logiciel de post-traitement ainsi qu’un carrefour d’échange interdisciplinaire qui facilite le traitement d’une grande quantité de données d’imagerie relatives à des troubles neurologiques.

Nouveaux horizons de l’imagerie

Le monde de la neuroimagerie se tourne maintenant vers l’intelligence artificielle (IA). Le mariage de l’IA et de l’imagerie promet une révolution qui ne donne certainement pas écho aux craintes alarmistes sur l’envahissement planétaire des robots. C’est une union en parfaite adéquation. L’apprentissage machine, une sous-discipline de l’intelligence artificielle, repose sur la création d’algorithmes qui permettent aux machines d’apprendre en analysant des données, en établissant des liens et en faisant des prédictions. L’ampleur de l’apprentissage et la précision des résultats est proportionnelle à la quantité de données fournies à l’algorithme. Il va sans dire que l’imagerie renferme une mine de données. Les chercheurs travaillent sur des algorithmes capables d’assimiler les images, de discerner des liens et des valeurs aberrantes, et ce, en une fraction du temps comparativement aux humains. De tels algorithmes servent déjà à identifier les tumeurs au cerveau.

Grâce aux progrès exponentiels des capacités de calcul, aux avancées en imagerie, à l’alliance IA-imagerie ainsi qu’à l’ingéniosité des chercheurs dans le domaine du cerveau, la neuroimagerie continuera d’être un moteur de découverte pour approfondir notre savoir sur le cerveau et ses troubles apparentés. C’est ainsi que la science parviendra à établir un diagnostic précis et précoce afin d’améliorer le sort des gens.

* Le financement de ces projets est assuré par la Fondation Brain Canada, Santé Canada par le truchement du Fonds canadien de recherche sur le cerveau, ainsi que d’autres partenaires.