Cartographier les autoroutes intracérébrales

Le professeur Maxime Descoteaux, de la Faculté des sciences, améliore une technique d'imagerie pour comprendre le développement du cerveau et étudier les maladies neurodégénératives

Un professeur d'imagerie de l'Université de Sherbrooke a amélioré une technique qui révèle les cartes du câblage des fibres nerveuses de la substance blanche du cerveau, appelées autoroutes intracérébrales. Cette avancée pourrait, entre autres, contribuer à mieux comprendre le fonctionnement du cerveau humain et étudier certaines maladies neurodégénératives.

Un examen d'IRM plus rapide et d'excellente qualité

Jusqu'à présent, le temps nécessaire pour obtenir ces cartes des autoroutes intracérébrales en trois dimensions de haute qualité représentait un défi important pour les chercheuses et chercheurs. En effet, la technique employée, la résonance magnétique nucléaire de diffusion (IRM de diffusion), est contraignante. Les patients doivent demeurer immobiles durant une heure trente à deux heures, allongés au centre d'immenses aimants des appareils d'IRM. Pour réduire la durée des examens à un temps raisonnable, les chercheurs font habituellement des hypothèses simplificatrices qui limitent l'interprétation médicale de ces cartes.

Maxime Descoteaux, professeur au Département d'informatique de la Faculté des sciences, a usé d'une astuce mathématique et algorithmique pour réduire la durée des examens à 10 ou 20 minutes sans altérer la qualité de l'information représentée par ces cartes.

Cette avancée lui a d'ailleurs valu en juillet le prix Erbsmann Award décerné pour le meilleur article et la meilleure présentation d'un chercheur de moins de 35 ans lors de l'International Conference on Information Processing in Medical Imaging en Virginie.

Révéler les chemins tortueux du cerveau

L'IRM de diffusion, découverte en 1986 et utilisée cliniquement depuis à peine une dizaine d'années, fait partie des techniques les plus performantes pour comprendre l'architecture du cerveau.

« Comme cette technique est non invasive, les chercheurs ne sont plus limités à la dissection de cerveaux de macaques ou de personnes décédées, explique Maxime Descoteaux. On peut ainsi suivre le développement du cerveau de la naissance à l'âge adulte sans danger. Ou encore, espérer repérer des marqueurs précurseurs de maladies neurodégénératives comme la sclérose en plaques, la maladie d'Alzheimer ou de Parkinson », ajoute le chercheur.

Ses travaux font d'ailleurs l'objet de collaborations scientifiques avec le plus important centre d'imagerie cérébrale européen, NeuroSpin, ainsi que des études cliniques à l'hôpital de la Salpêtrière, tous deux situés en France.

« Nos collaborateurs cliniciens ont bien compris l'intérêt de cette technique pour obtenir ces précieuses cartes du cerveau alors qu'ils ne disposent habituellement que de 10 à 15 minutes pour effectuer un examen d'IRM sur un patient », confie Maxime Descoteaux.

Penser dans le sens du courant

L'IRM de diffusion permet de quantifier à l'échelle microscopique les mouvements des molécules d'eau dans lesquelles baignent les fibres nerveuses. Lorsque les connexions nerveuses sont peu denses, les molécules d'eau qui entourent les cellules nerveuses sont libres et orientées dans toutes les directions. À l'opposé, lorsque les connexions sont fortes, les cellules nerveuses forment des réseaux dont les fibres s'épaississent (la myélinisation) et contraignent les molécules d'eau à s'orienter majoritairement dans l'axe des fibres.

L'acquisition de données par IRM de diffusion, un calcul selon les trois dimensions, puis un traitement d'image révèle ensuite indirectement la position, l'orientation et les caractéristiques des faisceaux de fibres selon leurs directions.

« Jusqu'à présent, pour suivre ce phénomène de diffusion 3D, il fallait mesurer la réponse magnétique des molécules d'eau selon un grand nombre de directions et répéter ces mesures sur chaque zone d'un quadrillage en trois dimensions du cerveau.

L'utilisation de notre algorithme de traitement permet notamment de sélectionner uniquement certaines directions de mesures sans perte de qualité, ce qui fait gagner du temps», précise le professeur Descoteaux.

Comprendre l'interconnexion des matières grises et blanches

L'IRM de diffusion est une puissante technique qui complète bien l'IRM fonctionnelle connue depuis plus longtemps. Cette dernière permet de déceler les variations de débit sanguin révélant l'activité des différentes structures qui composent la matière grise de notre cerveau.

Lorsqu'une personne parle, lit, bouge, pense, certaines aires de son cerveau s'activent. Cette activation des neurones se traduit par une augmentation du débit sanguin dans les régions cérébrales concernées. Lorsque l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle sont associées, les chercheuses et chercheurs peuvent alors étudier les interconnexions entre les centres nerveux, analyser la maturation et le développement cérébral, aider les médecins au bilan préopératoire de tumeurs cérébrales, etc.

Installé depuis quelques mois à Sherbrooke, le professeur Maxime Descoteaux pourra compter à la Faculté des sciences sur un bassin d'étudiants spécialisés dans le traitement d'image, formés au baccalauréat en imagerie et médias numériques. De plus, il prévoit travailler étroitement avec des collaborateurs chevronnés en imagerie médicale à la Faculté de médecine et des sciences de la santé, notamment avec Martin Lepage, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en imagerie par résonance magnétique, ainsi que Roger Lecomte, directeur scientifique du Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke.

« L'expertise en imagerie et traitement d'images développée au Département d'informatique ajoutée aux équipements d'imagerie médicale de pointe de la Faculté de médecine et des sciences de la santé me permettra de poursuivre mes travaux dans de très bonnes conditions », conclut avec enthousiasme le professeur Descoteaux.