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Premier atlas « in vivo » des connexions du cerveau humain et de leur microstructure


​Dans le cadre du projet CONNECT, douze instituts de recherche européens [1], dont le CEA [2], et israéliens ont établi, à partir de sujets vivants, un atlas décrivant les connexions intracérébrales (substance blanche) du cerveau humain. Cet atlas devrait ouvrir un nouveau champ en neurosciences et en médecine. Il permet désormais d’analyser les données de neuroimagerie de ces connexions et d’étudier avec précision leur rôle dans la physiologie et les pathologies du cerveau. Les acteurs de CONNECT, qui a bénéficié d’un financement européen de 2,4 millions d’euros [3], se réuniront le 19 octobre à NeuroSpin, pour conclure leur projet et détailler leurs résultats.

Publié le 18 octobre 2012
Jusqu’à présent, les recherches en neurosciences se sont surtout focalisées sur le fonctionnement du cortex et des neurones, au détriment de celui des fibres de la substance blanche. Celles-ci assurent les connexions intracérébrales et ont pour rôle de transmettre les informations entre neurones. Chez l’homme, les neurosciences s’appuient sur des atlas du cerveau humain réalisés à partir de coupes cérébrales post-mortem de donneurs. Les limites de ces atlas sont nombreuses, liées à différents problèmes techniques, comme par exemple la déformation du cerveau subie lors de son prélèvement, de sa fixation, de sa coupe...

L’atlas du projet CONNECT a été construit à partir de la combinaison d’images IRM 3D de cerveaux de plus de 100 sujets vivants et sains âgés de 25 à 35 ans. L’innovation provient à la fois de l’acquisition in vivo des données et de la combinaison d’images de nombreux cerveaux pour en extraire des caractères communs.
En effet, l’atlas a pu bénéficier d’images 3D d’un niveau inégalé de détails et de précision grâce à de nouvelles techniques d’IRM (notamment la microscopie par IRM de diffusion), d’acquisition de données, et de traitement de l’image. Ces dernières permettent de combiner des images de très haute définition provenant d’un grand nombre d’individus, sans réduire la précision des informations qu’elles contiennent.

Ces avancées technologiques ont permis ainsi de construire le nouvel atlas comme si chaque mm2 de tissu cérébral dans chaque cerveau avait été examiné avec un microscope, sachant qu’un cerveau a une surface dépliée d’environ 100 millions de mm2 ! La nouveauté fondamentale de cet atlas est qu’il offre une description des caractéristiques microscopiques de la substance blanche du cerveau humain, comme la densité ou le diamètre des fibres qui la composent.

Au-delà des experts en traitement d’images, les chercheurs et les médecins pourront utiliser ce nouvel atlas, dont les informations sont facilement accessibles. Pour chacune d’elles, une série d’images 3D correspond à une caractéristique microscopique du cerveau. Ainsi, l’atlas contient autant de séries d’images 3D que de caractéristiques microscopiques, le tout dans un espace standardisé.

[1] Centres de recherche dans le domaine de l’IRM en France (NeuroSpin/CEA), en Israël, en Grande Bretagne, en Allemagne, au Danemark, en Suisse et en Italie.
[2] Au CEA, les principaux acteurs sont Denis Le Bihan, directeur de NeuroSpin (plateforme du CEA pour la recherche préclinique et clinique en IRM à haut champ) et inventeur de l’IRM de diffusion, Cyril Poupon, responsable du laboratoire de résonance magnétique nucléaire du CEA, Jean-François Mangin, responsable du laboratoire de neuroimagerie assistée par ordinateur, et leurs collaborateurs. Ils ont pu caractériser in vivo 38 faisceaux longs de la substance blanche cérébrale. Ils ont pour cela utilisé le logiciel BrainVISA/Connectomist-2.0 pour traiter les données de 78 sujets de la base CONNECT/Archi acquise au sein du centre NeuroSpin.
[3] Financement obtenu dans le cadre des programmes consacrés aux technologies émergentes (future and emerging technologies).

De par la richesse des informations qu’il contient et son accessibilité, cet atlas facilitera l’interprétation des données de neuroimagerie recueillies sur la substance blanche. D’une part, il contribuera à mieux comprendre son rôle dans le développement et le fonctionnement du cerveau dans le temps, ainsi qu’à étudier l’empreinte laissée par de nouveaux apprentissages ou de nouvelles expériences sur la connectivité intracérébrale. D’autre part, il va permettre de suivre les modifications de la substance blanche dans les situations pathologiques, notamment au cours des dégénérescences neuronales, et de proposer de nouvelles pistes de diagnostic pour les maladies mentales et neurodégénératives.

Les nouvelles méthodes d’IRM développées dans le projet CONNECT permettront aux chercheurs de visualiser pour la première fois la connectivité intracérébrale du cerveau chez un sujet vivant, ouvrant ainsi de nouvelles pistes dans la compréhension de notre organe le plus complexe, ainsi que d’étudier sa dynamique et son évolution au cours du temps.

 

Représentation de 38 faisceaux longs de la substance blanche cérébrale (chaque couleur code 1 faisceau) chez 78 sujets de la base de données de neuroimagerie CONNECT/Archi constituée à NeuroSpin. Ces données ont été obtenues grâce au logiciel BrainVISA/Connectomist-2.0. Chaque groupe de 78 images correspond à une orientation de coupe. Crédit : CEA


Partenaires du programme CONNECT

Comité Directeur

  • Department of Neurobiology, Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel -Yaniv Assaf, Coordinateur
  • School of Computer Sciences, University College London, London, United Kingdom -Daniel Alexander
  • School of Psychology, Cardiff University Brain Imaging Research Center (CUBRIC), Cardiff University, Cardiff, United Kingdom -Derek Jones

Membres du consortium

  • FMRIB, Oxford University, Oxford, United Kingdom - Tim Behrens
  • Fondanzione IRCCS Istituto Neurologico Carlo Besta, Milano, Italy - Alberto Bizzi
  • School of Chemistry, Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel - Yoram Cohen
  • Institute of Child Health, University College London, London, United Kingdom - Chris Clark
  • Hvidovre Hospital, Copenhagen University, Copenhagen, Denmark - Tim Dyrby
  • Department of Neurology, Université de Genève, Genève, Suisse - Petra Huppi
  • Max-Planck-Institut Fur Kognitions und Neurowissenschaften, Leipzig, Germany - Thomas Knoesche
  • Neurospin, Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives(CEA), Paris, France - Denis Le Bihan -Cyril PouponJean-Francois Mangin
  • University of Manchester, Manchester, United Kingdom -Geoff Parker

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