Gabriel Montaldo et al./Institut Langevin-ESPCI

Une image de l'activité cérébrale du rat obtenue par échographie ultrasonore ultrarapide. Les régions activées sont en couleur (de faible en rouge sombre à élevée en jaune clair). La résolution spatiale est de 0,1 millimètre dans le plan de l'image et de 0,2 millimètre dans la direction perpendiculaire.

À voir aussi

Gabriel Montaldo et al./Institut Langevin-ESPCI

Le schéma de principe de la nouvelle technique d'imagerie fonctionnelle.

Pour en savoir plus

É. Macé et al., Functional ultrasound imaging of the brain, Nature Methods, prépublication en ligne, 3 juillet 2011.

Numéro spécial « Le corps transparent », Pour la Science, n° 338, décembre 2005.

M. Fink, Les miroirs à retournement temporel, Pour la Science, n° 268, février 2000.

Séquence vidéo montrant l'activité cérébrale d'un rat après déclenchement artificiel d'une crise épileptique.

Séquence vidéo réalisée par l'INSERM où Mickaël Tanter, l'un des principaux chercheurs de l'équipe, explique les avantages de la technique.

L'auteur

Maurice Mashaal est rédacteur en chef de Pour la Science.

« Derrière cet appareil se profile une petite révolution pour le monde de l'imagerie fonctionnelle », affirme Mathias Fink, directeur de l'Institut Langevin à l'ESPCI Paris Tech (CNRS, INSERM). Avec lui et sous la direction de Mickaël Tanter, une équipe de chercheurs de l'Institut Langevin, en collaboration avec le Centre hospitalier universitaire Pitié-Salpêtrière, a développé une technique d'échographie ultrasonore qui permet de visualiser et de suivre l'activité du cerveau d'un rat quand on lui touche un poil de moustache ou lorsqu'on y déclenche artificiellement une crise d'épilepsie. Avec, surtout, une résolution spatiale et temporelle inégalée : 0,1 millimètre dans le plan de l'image et 0,2 millimètre dans la profondeur pour ce qui est de la résolution spatiale, 0,2 seconde pour ce qui est de la résolution temporelle. Pour comparaison, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par émission de positrons (TEP) ont une résolution spatiale de l'ordre du millimètre et une résolution temporelle de plusieurs secondes.

Quel est le principe de la nouvelle technique ? En échographie classique, on focalise des impulsions d'ondes ultrasonores sur une petite région et l'on recueille les échos renvoyés par les tissus de cette région, puis on répète l'opération en faisant varier le point de focalisation, de façon à balayer toute la zone à visualiser. Cette procédure est trop lente pour obtenir des cadences de l'ordre du millier d'images par seconde – cadences qui sont nécessaires pour détecter et visualiser la dynamique de la microcirculation sanguine, grandeur directement reliée à l'activité cérébrale (quand une région du cerveau s'active, il y a afflux de sang dans cette région immédiatement après).

Le dispositif mis au point à l'Institut Langevin utilise le principe de l'échographie ultrarapide fondé sur la technologie des miroirs ultrasonores à retournement temporel ; il consiste à envoyer à très haute cadence des ondes planes ultrasonores (et non pas focalisées) et à traiter « par retournement temporel » les échos recueillis pour former l'image. En d'autres termes, les échos sont électroniquement inversés et renvoyés comme si l'on voyait un film à l'envers, ce qui permet, en répétant l‘opération, de bien localiser les sources des échos et ainsi de construire une image de résolution élevée.

En pratique, la sonde ultrasonore est une barrette de 128 transducteurs piézoélectriques espacés de 0,1 millimètre, que l'on place au-dessus d'une ouverture pratiquée dans la boîte crânienne des rats. Une cadence de 1 000 images par seconde à très haute résolution est obtenue, sur un champ de deux centimètres de côté et de profondeur, en utilisant, pour réaliser chaque image, 17 illuminations différentes (ondes planes d'angles différents). Ces 17 images sont combinées en une seule image composite. La procédure complète consiste à enregistrer 200 images composites en 0,2 seconde, de façon à obtenir, par un effet de moyenne, une image des écoulements sanguins avec une haute résolution spatiale.

L'amplitude du signal recueilli pour chaque pixel fluctue dans le temps avec une fréquence caractéristique qui dépend du mouvement des globules rouges du sang, ce mouvement entraînant un effet Doppler. De ce signal on peut déduire une grandeur proportionnelle au volume de sang présent dans le pixel correspondant. L'image globale est donc une cartographie, à un instant donné et défini avec une résolution de 0,2 seconde, de la répartition du sang dans la tranche de cerveau explorée par la sonde (cette répartition sanguine reflétant l'activité cérébrale).

L'équipe de l'Institut Langevin a ainsi pu visualiser l'activité cérébrale de rats dont on stimulait les moustaches. Les images sont même capables de montrer l'activation d'une seule colonne neuronale dans le cortex, activation due à la stimulation d'un seul poil de moustache. De même, les chercheurs ont visualisé (voir la vidéo) la propagation, dans l'espace et le temps, de l'activité cérébrale associée à une crise d'épilepsie (déclenchée en injectant en un point du cortex cérébral de la 4-aminopyridine, qui bloque les canaux potassium des neurones).

La technique d'imagerie échographique fonctionnelle conçue par l'équipe parisienne est prometteuse pour l'étude des petits animaux, l'appareillage étant simple, très peu encombrant et très peu coûteux par rapport aux équipements d'IRM ou de TEP. Elle devrait aussi pouvoir être adaptée pour réaliser de l'imagerie cérébrale sans ouvrir la boîte crânienne, si l'épaisseur de cette dernière n'est pas trop importante. Elle pourrait aussi être appliquée à l'homme, par exemple aux bébés à travers les fontanelles, régions peu ossifiées de leur crâne, ou aux adultes lors d'opérations neurochirurgicales à crâne ouvert.