VOIR LE CERVEAU TRAVAILLER À TRAVERS LE CRÂNE, AVEC DE LA LUMIÈRE ET DU SON

L’IRM fonctionnelle a transformé notre façon d’observer le cerveau humain au travail. Mais elle ne détecte le sang pauvre en oxygène qu’indirectement, par son effet sur les molécules d’eau, et elle exige un aimant supraconducteur encombrant, coûteux, bruyant et fermé. Les autres outils échangent un atout contre un autre : les enregistrements électriques sont rapides mais flous dans l’espace ; la lumière proche infrarouge voit le sang mais se diffuse trop pour donner des images nettes.

La tomographie photoacoustique offre une autre voie. De courtes impulsions laser pénètrent les tissus ; quand l’hémoglobine absorbe la lumière, elle génère des ondes ultrasonores, que des capteurs captent pour reconstruire une image en 3D. L’hémoglobine riche en oxygène et celle qui en est pauvre n’absorbent pas les mêmes couleurs : deux lasers permettent de les distinguer. La machine est plus compacte, moins chère et plus silencieuse qu’un scanner IRM, et n’a aucun aimant.

Le hic : chez l’adulte, l’imagerie photoacoustique fonctionnelle du cerveau n’avait fonctionné que chez des personnes privées d’une partie du crâne après une opération. L’os atténue la lumière comme le son, déforme les ondes et crée des échos. Et les variations de signal dues à une tâche mentale ou motrice ne font que quelques pour cent — vite noyées par une tête qui bouge d’une fraction de millimètre.

Une cuvette de 3 072 oreilles

Yilin Luo, Rui Cao, Manxiu Cui, Lihong Wang et leurs collègues de l’Institut de technologie de Californie (Caltech), avec l’équipe de Danny Wang à l’université de Californie du Sud, se sont attaqués aux deux problèmes.

• Ils ont logé 3 072 capteurs à ultrasons dans une cuvette hémisphérique autour de la tête — le plus grand nombre de canaux à ce jour — chacun avec son propre amplificateur. Ils écoutent à basse fréquence, 1 MHz, qui traverse plus facilement l’os.
• Par rapport au système précédent de l’équipe, le gain estimé en rapport signal/bruit à travers le crâne est d’environ 273 fois, de quoi compenser un crâne qui affaiblit le signal d’un facteur cent environ.
• Deux lasers, à 1 064 et 755 nanomètres, tirent à tour de rôle. Chaque impulsion donne une image 3D complète, 20 volumes par seconde, sans pièce mobile — donc sans flou de balayage.
• Chaque volontaire portait un casque personnalisé imprimé en 3D, conçu à partir d’un scan 3D de sa tête. Les mouvements de tête restaient en général sous 0,1 millimètre et 0,1 degré pendant une séance de 7,5 minutes.

Sur un crâne humain prélevé et rempli de gel, le système voyait encore un tube de sang placé à l’intérieur, alors que son signal était environ 300 fois plus faible qu’à l’extérieur.

Doigts, lèvres et contrôle à 7 teslas

Quatre hommes en bonne santé, de 24 à 56 ans, ont tapoté des doigts d’une main ou fait la moue, 30 secondes d’action, 30 secondes de repos. Chacun est aussi passé dans une IRM à haut champ de 7 teslas pour servir de référence.

• La méthode a placé les réponses au tapotement dans la zone attendue du mouvement et du toucher, du côté du cerveau opposé à la main qui bouge, en accord avec l’IRM.
• Elle a distingué la main de la bouche : dans les 16 combinaisons de personne, de côté du cerveau et de tâche, la carte photoacoustique était plus proche de la carte IRM de la même tâche que de celle de l’autre tâche.
• Elle s’est répétée : chez un volontaire, cinq séances réparties sur deux visites à trois mois d’écart sont toutes tombées dans la même région.
• Les deux couleurs laser ont varié en sens opposés pendant la tâche, comme attendu de leur sensibilité différente au sang riche ou pauvre en oxygène. Le signal à 1 064 nm suivait de près celui de l’IRM, avec une corrélation de 0,92.

Les petites lignes

Les cartes photoacoustiques tombaient en moyenne à 11,4 millimètres de celles de l’IRM, systématiquement décalées vers la surface du cerveau. Les auteurs citent plusieurs causes possibles qu’ils ne savent pas encore séparer : la déformation par le crâne, les erreurs d’alignement entre machines, le cerveau qui bouge selon la posture, et les différences d’une séance à l’autre. Seuls quatre participants ont été testés, tous des hommes, sur des tâches motrices simples, et les cheveux de la zone imagée étaient rasés.

Lihong Wang déclare un intérêt financier dans trois entreprises d’imagerie photoacoustique, qui, selon les auteurs, n’ont pas soutenu ce travail.

L’équipe y voit une plateforme capable de cohabiter avec d’autres outils — enregistrements électriques, stimulation cérébrale, interfaces cerveau-machine — difficiles à combiner avec l’aimant d’une IRM. Avec des lasers plus compacts, elle espère étudier le cerveau dans des situations plus naturelles.