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Le plus grand centre de recherches sur le cerveau

  • Posté le : Lundi 22 Août 2005
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  • par : P. de Brem
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  • Expert : C. Poupon
  • Actualisé le : Lundi 18 Mai 2009
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Inauguré en 2006, NeuroSpin a pour objectif de mieux comprendre le cerveau et ses dysfonctionnements, par une approche d'imagerie originale. Ce centre de recherche dispose d'équipements deux à cinq fois plus puissants que des IRM classiques. Mais mettre au point un tel outil ne va pas sans poser de réelles difficultés techniques.

Image de cerveau par IRMVue du cerveau obtenue grâce à la technique de l'image à résonance magnétique (IRM).
© CEA

NeuroSpin a vu le jour en 2006 sur le centre du CEA-Saclay en Essonne. Cette plateforme de recherche unique en son genre accueille une centaine de personnes toutes dédiées à la compréhension fine du cerveau. NeuroSpin à ce jour une MEG (magnéto-encéphalographie) et trois systèmes IRM (imagerie par résonance magnétique) dernier cri permettant d’accéder de façon indolore et non invasive aux structures du cerveau. Et, même, de le voir fonctionner.

NeuroSpin a un défi à relever : concevoir un système IRM d’une puissance à ce jour inégalée dans le monde. Ainsi, Cyril Poupon, chercheur au NeuroSpin nous explique que les équipes de son centre, associées à celles du CEA et d'industriels, sont en train de concevoir un aimant d’une puissance de 11,7 T (teslas), soit 234 000 fois le champ terrestre. Ce alors que la plupart des systèmes cliniques installés dans le monde travaillent à 1,5 ou 3 T. Il devrait entrer en service début 2013.

La mise au point de ce système IRM a posé des problèmes techniques que l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (IRFU), un département du CEA, à Saclay, s’est chargé de résoudre. Il a par exemple fallu s’opposer à la tendance de l’instrument à s’effondrer sur lui-même, à "collapser", sous l’effet de son propre champ magnétique. Il a également fallu s’assurer que le bruit y serait supportable pour les oreilles des sujets. Déjà, un scanner IRM à 1,5 T peut générer des chocs sonores de 90 dB (décibels).

Des équipes de recherche des États-Unis, du Japon, d’Europe, entre autres, se sont déjà manifestées pour collaborer sur différents projets. Il faut dire que la technologie et les savoir-faire dont disposent les équipes de NeuroSpin sont rarissimes.
 
NeuroSpin permettra de mieux saisir le développement de maladies comme l’épilepsie, Parkinson, Alzheimer ou des affections psychiatriques comme la dépression. Les sciences sociales, quant à elles, profiteront des études visant à mieux cerner la manière dont les êtres humains communiquent, apprennent ou gèrent leurs émotions, par exemple. Plus généralement, c’est toute la compréhension du traitement de l’information par le cerveau qui devrait progresser.

01.Un ensemble d'outils exceptionnel

Le bâtiment de NeurospinLe futur bâtiment du projet Neurospin - recherche en imagerie cérébrale-, conçu le cabinet d'architectes Vasconi Associés, sera achevé en 2009.
© Vasconi Associés Architectes
  Le 13 juin 2005, la première pierre de cette plateforme de recherche a été posée par François Goulard, ministre de la Recherche, Jean-Paul Huchon, président du Conseil régional d’Île-de-France et Michel Berson, président du Conseil général de l’Essonne.

Jamais on n’avait réuni en un même lieu des outils aussi performants et autant de chercheurs dans le seul but de comprendre le cerveau. Le bâtiment d’allure moderne, représente une surface de 8 500 m² où travaillent une centaine de personnes (médecins, neurobiologistes, ingénieurs, mathématiciens, chimistes ou informaticiens). Conçu par le cabinet Vasconi associés architectes, ce bâtiment présente sur l’une de ses façades six arches monumentales. L’une d’entre elles abrite un local technique et les cinq autres des systèmes IRM (imagerie par résonance magnétique) qui constituent le cœur du projet.

Parmi eux figurera l’appareil le plus performant au monde pour l’étude clinique chez l’homme. En effet, plus le champ magnétique produit par un scanner IRM est important, plus sa résolution est grande. Or, celui de cette machine atteindra 11,7 T (teslas), soit 234 000 fois le champ terrestre. Un chiffre qui peut impressionner et même faire peur. À ce jour, cependant, aucune conséquence néfaste sur la santé n’a été observée lors de l’utilisation de ces très hauts champs. Au contraire même, selon certaines études préliminaires, ils pourraient aider au traitement des dépressions.

Iseult, nom de ce projet franco-allemand, a ainsi pour objectif de perfectionner de façon décisive l’imagerie médicale du système nerveux central. Plus précisément, il vise au développement de l’IRM à très haut champ, associée à une nouvelle génération d’agents de contraste. Ce scanner IRM révélera des détails de quelques dixièmes de millimètres seulement, contre quelques millimètres aujourd’hui avec les appareils classiquement exploités dans les hôpitaux ou les centres de recherche à travers le monde. Cette machine permettra ainsi le dépistage précoce et le diagnostic de pathologies comme Alzheimer, les accidents cardiovasculaires et les tumeurs cérébrales.

Un autre des systèmes IRM - qui battra également un record dans sa catégorie - sera plus puissant encore puisqu’il fonctionnera à 17 T. Mais, de dimensions beaucoup plus modestes, il ne permettra d’étudier que des rongeurs et non le corps entier d'un homme. Par comparaison, la plupart des systèmes IRM fonctionnant dans les hôpitaux sont d’une puissance de 1,5 T. Les plus performants développés aux États-Unis pour la recherche sur l’homme opèrent à 7,8 T et 9,4 T, et sur l’animal à 11,7 T et 14 T.

Cet ensemble exceptionnel d’outils, financé par le CEA, l’ANR, la Région Île-de-France et le Conseil général de l’Essonne, renforce le pôle de compétitivité Medicen Paris-Région axé sur les hautes technologies et la santé. Entre autres avantages, NeuroSpin fournira aux scientifiques le moyen de dresser une carte du fonctionnement de l’encéphale particulièrement détaillée. Ils pourront comprendre la manière dont l’information y est traitée en mettant en relief les connexions entre ces différentes zones. L’excellente résolution de leurs appareils leur donnera peut-être même accès au "code neural", c’est-à-dire à la manière dont l’information est stockée dans le cerveau. Les scientifiques suggèrent que ce code neural serait structuré comme le code génétique, par des assemblages de "briques" d’information de base les unes avec les autres.

02.Une révolution comparable à celle du microscope

Zones actives du cerveau (IRM)Grâce à l'IRM, il est possible d'observer, en temps réel, les différentes zones actives dans le cerveau lors de stimulations spécifiques.
© CEA
"Lorsque  l’Glossaireimagerie fonctionnelle est apparue, ce fut une révolution comparable à celle de l’apparition du microscope en biologie ou du télescope en astronomie, affirme Bernard Mazoyer, directeur du groupe d’imagerie neurofonctionnelle (CNRS-CEA) à Caen. Avant elle, on n’avait pas accès à la matière biologique cérébrale vivante." Pendant de longues décennies, les chercheurs ne disposaient pratiquement que d’un seul recours pour mieux connaître le cerveau : attendre qu’une personne, ayant eu un comportement particulier (par exemple un soudain déni de toutes les convenances sociales à la suite d’une lésion de l’encéphale), vienne à décéder pour étudier son cerveau.

Aujourd’hui, les appareils IRM offrent la possibilité de sonder cet organe d’une manière indolore et non invasive. Ils y parviennent en exploitant les propriétés magnétiques des noyaux des atomes d’hydrogène, ce qu’on appelle la résonance magnétique nucléaire (RMN). "Une machine IRM est avant tout composée d’un puissant aimant produisant un champ magnétique intense, aussi homogène que possible, capable d’orienter le spin de ces atomes dans une direction unique. Lorsque cela est fait, l’appareil se charge de modifier cette orientation initiale de façon transitoire et de mesurer le signal qu’émettent les atomes lorsque leur spin retrouve sa position d’équilibre," explique Cyril Poupon, chercheur à NeuroSpin. Le temps que mettent les spins à retrouver cette position varie en fonction des tissus qu’ils constituent. Ainsi le scanner IRM est-il capable de différencier la matière grise du cerveau de la matière blanche, par exemple. Ces données, recueillies par un ordinateur, lui permettront après calcul de construire une image tridimensionnelle des tissus du cerveau.

Ainsi obtient-on une visualisation de l’anatomie de cet organe. Mais il y a plus. En imagerie neurofonctionnelle, l’IRM permet de visualiser les zones du cerveau actives à un moment donné. Lorsque ces aires sont sollicitées, par exemple les aires associées au langage ou à l’ouïe, elles voient en effet leur débit sanguin augmenter. Or, l’hémoglobine, un composant du sang, peut, lorsqu’elle vient de distribuer l’oxygène qu’elle porte aux tissus qui en ont besoin, être détectée par les appareils d’IRM. Ainsi les chercheurs parviennent-ils à localiser l’activité du cerveau, d’une manière indirecte, et non pas seulement à visualiser son anatomie.

Et, Gayannée Kedia ne s’en privait pas lorsque nous l'avons rencontré en 2005. Elle effectuait alors une thèse en neurosciences sociales et cherchait à "identifier le cerveau social". Pour cela, elle utilisait l’un des systèmes IRM du service hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ). Sa "cobaye" de la matinée était Marie, une étudiante de 18 ans qui aimerait faire des études de médecine et qui, par curiosité et contre rémunération, a bien voulu se prêter à l’exercice. Pendant toute la séance, qui durera une heure et demie environ, elle devra se représenter mentalement les scènes décrites par écrit sur un écran disposé devant ses yeux. Par exemple celle où elle renverse du vin sur la chemise d’un voisin au cours d’un déjeuner. "J’essaie d’induire chez les sujets des émotions sociales comme la culpabilité ou la compassion. Grâce à l’IRM, je verrai notamment si un lien existe entre leur profil socio-psychologique et l’intensité de l’activation de certaines de leurs zones cérébrales," explique Gayannée Kedia.

03.Un nouvel outil pour des recherches plus poussées

IRM et autismeL’IRM a apporté un nouveau regard sur les affections psychiques. Depuis seulement cinq ans, il apparaît que l’autisme est lié à la manière dont le cerveau se développe sous l’action de causes diverses.
© CEA
"L’IRM a apporté un nouveau regard sur les affections psychiques, estime Jean-Luc Martinot, directeur de l’unité de recherche méthodologique Neuroimagerie en psychiatrie (Inserm-CEA). Jusqu’à la fin du XXe siècle, on pensait qu’elles apparaissaient à la suite d’une histoire relationnelle troublée, par exemple avec ses parents dans la jeune enfance. Mais grâce à l’IRM, ces affections ont également été associées à des structures ou des fonctionnements particuliers du cerveau. Sur le plan théorique, c’est capital : depuis, on voit le patient d’une manière différente."

Ainsi, depuis seulement cinq ans, il apparaît que l’autisme ainsi qu’une partie des schizophrénies sont liés à la manière dont le cerveau se développe sous l’action de causes diverses, possiblement génétiques, biologiques, environnementales mais également psychologiques. Le vécu de chacun peut en effet modifier le fonctionnement du cerveau. Comme le précise Jean-Luc Martinot, "on sait depuis peu que des traumatismes, chez des sujets ayant vécu des scènes de guerre ou de terrorisme, sont susceptibles de s’inscrire dans le cerveau. Des chercheurs américains ont ainsi observé que chez de telles personnes, des régions de cet organe avaient diminué de taille et “sur-réagissaient” lors de stimuli émotionnels." Comment ces nouvelles connaissances seront-elles exploitées dans le futur ? Un jour, les images IRM aideront les neuropsychiatres à porter un diagnostic de dépression ou de schizophrénie, un objectif encore hors d’atteinte à l’heure qu’il est. Elles permettront d’améliorer les traitements existants et contribueront à en développer de nouveaux.

"NeuroSpin nous fournira des informations plus précises sur certaines parties du cerveau auxquelles nous avons difficilement accès, note Jean-Luc Martinot. Les noyaux gris centraux, par exemple, que nous possédons tous, ont un rôle de relais et de filtrage de l’information. Ils sont, de plus, un point d’action majeur des médicaments. Mais ces structures, de taille très réduite, possèdent des sous-parties que nous connaissons mal à l’heure actuelle."

S’il en est donné la possibilité, Bernard Mazoyer exploitera également les qualités de NeuroSpin. Entre autres travaux, il s’est intéressé aux calculateurs prodiges : des hommes et des femmes capables de réussir en un instant des multiplications à trois chiffres, de calculer des sinus et des cosinus à la demande ou autant de racines cinquièmes qu’on en désire. L’un d’eux, un Allemand du nom de Ruddiger Gamm, a bien voulu se laisser examiner par IRM.

"Nous avons découvert qu’en plus des aires impliquées dans le calcul, des zones liées à la mémoire à long terme s’activaient également," indique Bernard Mazoyer. Pourquoi ces aires, où l'on stocke habituellement la manière de monter à vélo ou de faire fonctionner un téléviseur, étaient-elles sollicitées ? Parce que les calculateurs prodiges y conservent des procédés de calcul, des algorithmes, qu’ils ont eux-mêmes développés et qu’ils utilisent dans ces moments-là, a-t-on découvert à cette occasion. "Avec NeuroSpin, on pourrait aller plus loin et vérifier si son exploitation des aires du calcul ressemble vraiment à celle de tout un chacun, ou s’il existe des différences que nous ignorons aujourd’hui…" note Bernard Mazoyer.

04.Comment réussir un tel pari technique ?

Aimant supraconducteurL'aimant du détecteur Atlas, l'un des deux plus grands aimants supraconducteurs du CERN a été conçu par le Département d'astrophysique, physique nucléaire et instrumentation associée de Saclay. Ce sont ces équipes qui travaillent sur le projet Neurospin.
© CEA
Reste maintenant à poursuivre et terminer le projet Iseult. L’aimant à 11,7 T, en particulier, constitue un défi technologique de premier plan. "Sa complexité provient de l’association d’un champ magnétique très puissant avec un diamètre d’aimant impressionnant, 90 cm, nécessaire pour accueillir un homme," explique Xavier Charlot, chef du projet NeuroSpin au sein de la direction des Sciences de la matière (CEA). En effet, plus ce diamètre est élevé, plus la quantité d’énergie stockée dans le cryostat, c’est-à-dire l’enceinte froide qui accueille l’aimant, doit être importante. "Sur cette machine IRM, on atteint 300 millions de joules. C’est monstrueux," lâche Xavier Charlot.

Le risque existe alors que la bobine, c’est-à-dire l’aimant, s’effondre sur elle-même, qu’elle "collapse", attirée par les forces magnétiques qu’elle aura elle-même engendrées, un peu comme dans une implosion. Le champ engendré par les scanners IRM, même classiques, ne peut en effet être ignoré : il est interdit d’entrer dans la pièce qui les abrite avec un stylobille, des pièces de monnaie, un trousseau de clefs ou, surtout, un scalpel que les chirurgiens portent parfois sur eux, de peur qu’ils ne traversent l’espace et aillent se ficher dans la machine. Toutes les solutions seront apportées par l’IRFU, spécialiste de la conception d’aimants à haut champ magnétique et fort courant.

Autre problème d’importance : le bruit. Soumises au champ magnétique, certaines parties du scanner vibrent et cognent contre le cryostat, produisant des chocs sonores qui peuvent atteindre 90 dB sur une machine à 1,5 T. Au point que les sujets sont invités à protéger leur appareil auditif avec des bouchons spéciaux. "Il faudra que ce problème, plus important encore avec un scanner à 11,7 T, soit maîtrisé, insiste Xavier Charlot. Et lorsqu’il le sera, les avancées qu’il aura suscitées pourront être employées sur des appareils à champ plus faible." Des demandes de brevets de l’IRFU sont d’ailleurs en cours à ce sujet, qui permettront, à moyen terme, de réaliser des systèmes IRM pratiquement silencieux. Alors, NeuroSpin aura ouvert la voie à de nouvelles recherches concernant la manière dont le cerveau traite l’information auditive, études qui ne peuvent avoir lieu qu’en l’absence de bruit parasite.

NeuroSpin est naturellement ouvert aux équipes de recherche cliniques et académiques (Inserm, Institut Pasteur, INRIA, CNRS, AP-HP) et aux acteurs industriels de l’imagerie, du médicament. Le projet offre tant d’intérêt que nombre d’équipes nationales et internationales se sont déjà pressées à ses portes.

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