En matièrematière d'imagerie du cerveau des vertébrésvertébrés, l'écueil que rencontraient jusqu'à présent les chercheurs était de devoir choisir entre résolutionrésolution et volumevolume. Soit on obtenait de la très haute résolution avec la microscopie électronique tridimensionnelle, mais sur un volume beaucoup trop faible pour retracer un circuit neuronal complet, soit on obtenait une image entière du cerveau, mais cette fois à une résolution bien trop large pour saisir les détails.

Le principal bénéfice de l'approche d'imagerie Chroms (Chromatic Multiphoton Serial imaging) est d'offrir une véritable visite virtuelle à haute résolution (à l'échelle de la cellule) de certaines parties du cerveau essentielles pour comprendre le développement des circuits neuronaux. Si la visite est virtuelle, les données sont bien réelles, issues de cerveaux de souris transgéniquestransgéniques dans les neurones desquelles ont été introduits des marqueurs fluorescents issus de médusesméduses ou de coraux, qui, une fois stimulés par un laserlaser infrarougeinfrarouge, permettent d'obtenir la couleurcouleur.

Vue d’un détail d’un volume de 4.8 mm3 de cortex de souris dans lequel les astrocytes sont marqués avec des protéines fluorescentes de couleurs différentes. © Lamiae Abdeladim, LOB, École Polytechnique, CNRS, Inserm ; marquage transgénique : Solène Clavreul, Institut de la Vision, Sorbonne Université, Inserm, CNRS

« L'instrument est idéal pour reconstruire en 3D avec une très grande précision des régions du cerveau, de quelques millimètres-cubes de volume, ce qui est une première avec cette qualité d'images, et qui constitue l'échelle pertinente par rapport à ce que nous voulons observer explique Emmanuel Beaurepaire, du Laboratoire d'optique et biosciences (LOB, École polytechnique, CNRS, Inserm). Nous pouvons aussi reconstituer un cerveau entier de souris, avec une moindre précision dans la version actuelle de notre instrument ».

Chroms va permettre de répondre à de vieilles questions en neurosciences

« Nous nous intéressons plus particulièrement au lignage cellulaire précise Jean Livet, de l'Institut de la vision (Sorbonne Université, Inserm, CNRS), c'est-à-dire la façon dont se développe le cerveau à partir de cellules souches neurales : quelles sont les cellules filles issues d'une cellule souche donnée, comment une mutation de la cellule souche a pu influer sur leur développement, comment les groupes de cellules générées par différentes cellules souches s'agencent les uns par rapport aux autres, c'est toute cette histoire d'une région du cerveau, codée dans la couleur, que nous révèlent les images grand volume de Chroms ».

En ligne de mire, la capacité de répondre à des questions qui se posent depuis longtemps en neurosciences, comme celle de savoir si les neurones issus d'une même cellule souche se connectent de façon préférentielle entre eux pour remplir une fonctionnalité donnée, ou si des pathologies comme l'épilepsie peuvent être reliées à des problèmes localisés affectant certaines cellules souches neurales.

(A) Principe de la microscopie Chroms, associant excitation biphotonique couleur par mélange de fréquences et découpe sériée automatisée du tissu cérébral. (B) Image acquise avec le mode « tomographie sur cerveau entier » montrant le cortex et l’hippocampe d’une souris Brainbow. (C) Reconstruction 3D et vue à différentes échelles d’un volume de 4.8 mm3 de cortex de souris dans lequel les astrocytes sont marqués avec des protéines fluorescentes de couleurs différentes. (D) Vue 3D de neurones marqués en couleur dans le cortex de souris. © Abdeladim et al, Nat Commun 2019

Si la technique Chroms est particulièrement adaptée à l'étude d'un organe aussi complexe que le cerveau, elle peut être mise à profit sur tous les organes et devrait s'avérer être un outil très efficace pour les études portant sur l'embryogenèseembryogenèse.

Fruit de la collaboration de chercheurs de l'École polytechnique, de Sorbonne Université, de l'Inserm et du CNRS regroupés au sein du Laboratoire d'optique et biosciences et de l'Institut de la Vision, l'article décrivant l'approche de ChroMS vient de paraitre dans Nature Communications.

Une technique d'imagerie nouvelle génération en vidéo

Article de l'Inserm publié le 9 juillet 2011

La revue Nature Methods présente une nouvelle technique d'imagerie médicale, basée sur l'étude des flux sanguins, plus précise que l'IRM fonctionnelleIRM fonctionnelle. Mickaël Tanter, directeur de recherche à l'Inserm, nous explique le principe du fUltrasound (ultrasonsultrasons fonctionnels du cerveau) et les avancées réalisées.

Mickael Tanter, directeur de recherche à l'Inserm et ses collaborateurs (équipe « PhysiquePhysique des ondes pour la médecine » de l'Institut Langevin, CNRS/ESPCI) publient dans la revue Nature Methods, un article présentant une nouvelle technique d'imagerie très prometteuse : le fUltrasound (ultrasons fonctionnels du cerveau). Cette technique d'imagerie basée sur l'étude des flux sanguins est ultrasensible. Elle permet de voir les changements très subtils de l'activité cérébrale. La résolution et la sensibilité de cette nouvelle technique offrent par exemple la possibilité de suivre le développement d'une crise d'épilepsie sur l'ensemble du cerveau d'un petit animal, chose impossible à l'heure actuelle en IRM fonctionnelle.

L'imagerie fMRI (IRM fonctionnelle) est une technique qui a révolutionné depuis plus de dix ans les neurosciences. Cette technique permet de voir l'activité cérébrale d'un patient en réponse à un stimulus (que ce soit visuel, auditif...) en localisant l'afflux sanguin qui se produit dans la zone activée. L'IRM fonctionnelle est aujourd'hui incontournable en neurosciences et sciences cognitivessciences cognitives au même titre que la tomographie par émission de positonstomographie par émission de positons (TEP). Ces deux techniques ont toutefois un point faible : bien qu'elles pénètrent profondément dans les tissus, leur résolution et leur sensibilité sont limitées. En particulier, les images d'événements transitoires ou touchant l'ensemble du cerveau (crises d'épilepsiecrises d'épilepsie par exemple) sont difficiles à obtenir.

Bien que l'échographieéchographie Doppler basée sur l'utilisation des ultrasons, soit couramment utilisée pour voir les flux sanguins en temps réel dans de nombreux organes, elle ne permettait pas jusqu'à maintenant d'observer les tout petits vaisseaux du cerveau et donc de visualiser l'activité cérébrale.

Dépasser les limites de l'échographie Doppler

Pour dépasser les limites de l'échographie Doppler conventionnelle, les chercheurs de l'Inserm et du CNRS ont développé une méthode inédite et efficace sur les deux fronts : le fUltrasound (ultrasons fonctionnels du cerveau) à la fois sensible (capable de filmer la vascularisation fine du cerveau) et conservant une excellente résolution dans le temps et dans l'espace. Pour augmenter considérablement la sensibilité de l'échographie conventionnelle, les chercheurs ont développé une imagerie ultrarapide, capable de mesurer les mouvementsmouvements du sang sur l'ensemble du cerveau plusieurs milliers de fois par seconde (contre quelques dizaines de fois jusqu'alors). Cette augmentation du nombre de mesures permet de détecter le flux dans de très petits vaisseaux, dont les variations subtiles sont liées à l'activité cérébrale.

Pour tester l'efficacité de cette nouvelle technique, les chercheurs de son équipe, Gabriel Montaldo et Émilie Macé, ont collaboré avec deux chercheurs du centre de recherche de l'Institut du cerveau et de la moëlle épinière pour filmer en temps réel : 

• la réponse du cortexcortex cérébral lorsqu'on stimule les moustachesmoustaches d'un rongeurrongeur ;

 
Lorsque les chercheurs stimulent les moustaches (vibrisses) d’un rongeur, un afflux sanguin apparaît très nettement au niveau du cortex somatosensoriel de l’animal, signe d’une activité dans cette zone. © Insem

• le développement d'une crise d'épilepsie sur l'ensemble du cerveau d'un rat.

 
Au moment le plus fort de la crise, le volume sanguin augmente fortement dans les deux hémisphères du cerveau et des vagues se propagent lentement dans les différentes zones du cerveau. © Insem

Quelles applications ?

Pour Mickaël Tanter et Mathias Fink, directeur de l'Institut Langevin, le potentiel d'applicationsapplications de cette nouvelle technique, qui possède l'avantage d'être portable et peu chère, est majeur. D'un point de vue clinique, elle pourrait être utilisée chez le nouveau-né pour qui l'IRMf est très difficile à réaliser, voire chez le fœtusfœtus pendant la grossesse et ainsi permettre de mieux comprendre le développement du cerveau. Chez l'adulte elle pourrait être utilisée pour localiser des foyers épileptogènes en imagerie peropératoire. Côté recherche, les ultrasons fonctionnels devraient permettre aux biologistes de répondre à de nombreuses questions fondamentales en neurosciences en raison de la résolution spatiotemporelle et de la sensibilité non égalées de cette nouvelle approche d'imagerie.

Contact chercheur

• Mickaël Tanter
• Directeur de recherche Inserm
• Institut Langevin (CNRS UMR 7587) école supérieure de physique et chimiechimie industrielles