Les patients subissant une tomographie par émission de positons (TEP) dans les environnements encombrants d'aujourd'hui, les machines en forme de beignet doivent rester complètement immobiles. À cause de ce, les scientifiques ne peuvent pas utiliser les scanners pour découvrir des liens entre le mouvement et l'activité cérébrale. Que se passe-t-il là-haut lorsque nous acquiesçons ou serrons la main ? En quoi le cerveau des personnes qui ont du mal à marcher après un AVC est-il différent de celui qui le peut ?

Pour aborder des questions comme celles-ci, Julie Brefczynski-Lewis, un neuroscientifique à l'Université de Virginie-Occidentale (WVU), s'est associé à Stan Majewski, un physicien à WVU et maintenant à l'Université de Virginie, développer un scanner cérébral TEP miniaturisé. Le scanner peut être "porté" comme un casque, permettant aux sujets de recherche de se tenir debout et de faire des mouvements pendant que l'appareil scanne. Ce scanner ambulatoire de tomographie par émission de positons par microdose (AMPET) pourrait lancer de nouvelles études psychologiques et cliniques sur le fonctionnement du cerveau lorsqu'il est affecté par des maladies allant de l'épilepsie à la toxicomanie, et pendant les interactions sociales ordinaires et dysfonctionnelles.

« Il y a tellement de possibilités, " a déclaré Brefczynski-Lewis, "Les scientifiques pourraient utiliser AMPET pour étudier la maladie d'Alzheimer ou les lésions cérébrales traumatiques, ou même notre sens de l'équilibre. Nous voulons repousser les limites de la mobilité de l'imagerie avec cet appareil."

L'idée a été lancée par un scanner développé pour étudier les rats, un projet lancé en 2002 au laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE). Majewski, un physicien des hautes énergies de formation, à l'origine eu vent du projet "RatCAP" de Brookhaven parce qu'il faisait partie des mêmes cercles de physiciens que plusieurs membres de l'équipe RatCAP.

"J'ai appris ce que faisaient mes amis et collègues de Brookhaven, " dit Majewski, "et a décidé de construire le même type d'appareil pour les humains."

Les débuts de Brookhaven

Le PET animal conscient du rat, ou RatCAP, scanner est un anneau de 250 grammes qui s'adapte autour de la tête d'un rat, suspendu par des ressorts pour supporter son poids et laisser le rat se précipiter pendant que l'appareil scanne. Nora Volkow, chef de la division Sciences de la vie de Brookhaven à l'époque, a eu l'idée d'imager le cerveau d'animaux éveillés et en mouvement.

"Je voulais faire des TEP sur des animaux sans avoir recours à l'anesthésie, " dit Volkow, qui est maintenant le directeur de l'Institut national sur l'abus des drogues. Contrairement aux humains, on ne peut pas dire aux animaux de simplement rester immobiles dans un scanner. Mais l'anesthésie nécessaire pour les faire mentir brouille encore les résultats. « Il affecte la distribution du radiotraceur TEP et inhibe les neurones, " dit Volkow. Un scanner portable, cependant, bougerait avec le cerveau de l'animal et éliminerait le besoin d'anesthésie (voir COMMENT FONCTIONNE L'ANIMAL FAMILIER). Volkow a demandé l'aide de scientifiques et d'ingénieurs de Brookhaven pour faire de l'idée une réalité.

Suivi des particules

Heureusement, il y a un grand chevauchement entre l'imagerie médicale et la physique nucléaire, un sujet dans lequel Brookhaven Lab est un leader mondial. Aujourd'hui, les physiciens du laboratoire utilisent une technologie similaire aux scanners TEP du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), où ils doivent suivre les particules qui sortent des collisions à la vitesse proche de la lumière de noyaux chargés. Les recherches sur la TEP au Lab remontent au début des années 1960 et comprennent la création du premier scanner monoplan ainsi que diverses molécules traceuses.

"Les deux champs pensent aux mêmes choses :comment fonctionnent les photodétecteurs, comment fonctionnent les cristaux scintillants, comment fonctionne l'électronique, " a déclaré Craig Woody, physicien de Brookhaven. " Les scanners TEP, ainsi que la tomodensitométrie [tomodensitométrie] et l'IRM [imagerie par résonance magnétique], sont utilisés par les médecins, mais ils sont construits par des physiciens détecteurs. »

Boisé, qui travaille actuellement sur un nouveau détecteur de particules pour le RHIC, a dirigé le projet RatCAP avec David Schlyer et Paul Vaska. À l'époque, Schlyer et Vaska étaient à la tête des opérations du cyclotron de Brookhaven et de la physique du PET, respectivement. Schlyer est maintenant scientifique émérite au Lab et Vaska est professeur de génie biomédical à l'Université Stony Brook.

Lors de la conception du scanner à petite échelle, l'équipe a utilisé les progrès récents de la technologie des détecteurs. Par exemple, ils ont utilisé des cristaux denses pour convertir les photons gamma générés par les interactions positron-électron en lumière visible, ainsi que de petits capteurs de détection de lumière appelés photodiodes à avalanche. Ils ont également utilisé une électronique spéciale développée à Brookhaven et intégrée dans le compact, détecteur PET léger. La suspension de la structure sur de longs ressorts a permis de supporter son poids afin que les rats puissent « porter » le scanner tout en se déplaçant facilement.

"C'était un effort très collaboratif, " dit Schlyer, qui a produit les radio-isotopes nécessaires aux scans. "Nous avions des gens de la physique, la biologie, chimie, Médicament, et électrotechnique."

Des rats aux chapeaux

La nouvelle de RatCAP s'est répandue lorsque les scientifiques ont présenté leurs progrès lors de conférences et de réunions. Stan Majewski, puis au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du DOE (Jefferson Lab), pris connaissance. Il avait travaillé sur de nouvelles méthodes d'imagerie du cancer du sein, appliquant son expertise des détecteurs de physique des hautes énergies au domaine médical.

"Je connaissais Stan depuis longtemps, nous avons travaillé ensemble au CERN, le laboratoire européen de physique nucléaire, " a déclaré Woody. "Je dois lui donner du crédit parce qu'il disait constamment 'tu devrais vraiment faire de la physique médicale.'"

Majewski a noté que la direction de Jefferson Lab était très favorable au projet et a fourni des capitaux de démarrage même après son déménagement à WVU pour faire plus de travail sur l'imagerie médicale. Là-bas, il a développé les idées du RatCAP et a construit un prototype d'imageur cérébral PET portable pour les humains.

"Un outil d'imagerie cérébrale mobile a des applications dans la recherche en psychologie et les usages cliniques, " a déclaré Majewski. " Vous pourriez faire de l'imagerie au chevet de l'épilepsie, par exemple, et observez ce qui se passe dans le cerveau pendant une crise."

le prototype "Helmet_PET" de Majewski, breveté en 2011, photomultiplicateurs au silicium d'occasion - un plus récent, photodétecteur tout aussi compact mais plus efficace que les photodiodes à avalanche utilisées dans RatCAP.

"Stan a vu le potentiel du RatCAP et l'a poussé plus loin, " dit Woody.

Le dessin de brevet du prototype était assis sur le bureau de Majewski à WVU lorsque Brefczynski-Lewis, un neuroscientifique, entra. Le dessin d'un détecteur en forme de casque sur une personne debout attira son attention.

"J'ai toujours été gêné par cette zone médiane du cerveau qu'on ne pouvait pas atteindre avec d'autres technologies d'imagerie, " dit-elle. " Avec l'électroencéphalographie (EEG), vous ne pouvez pas atteindre les structures cérébrales profondes, mais avec la TEP et l'IRM, vous ne pouvez pas bouger. Je pensais que l'appareil de Stan pourrait combler ce créneau."

Après avoir construit le premier prototype à WVU, les deux scientifiques ont commencé à utiliser Helmet_PET pour imager le cerveau de patients volontaires. Après le transfert de Majewski à l'Université de Virginie, l'équipe a développé un modèle plus récent de l'appareil, maintenant connu sous le nom d'AMPET. Le capuchon d'imagerie actuel est conçu pour scanner une personne debout et est attaché à un support aérien, permettant un certain mouvement.

AMPET présente une grande similitude avec l'un des premiers scanners TEP construits à Brookhaven, surnommé le "sèche-cheveux".

"Les idées ont en quelque sorte bouclé la boucle, ", a déclaré Schlyer. "Ce qui a changé, c'est la technologie qui rend ces appareils possibles."

L'équipe AMPET espère commencer bientôt à développer un scanner cérébral complet, qui couvre toute la tête plutôt que d'examiner une section horizontale de cinq centimètres, comme l'anneau actuel.

Le microdosage a un grand potentiel

Parce qu'AMPET est si proche du cerveau, il peut "capter" plus de photons issus des radiotraceurs utilisés en TEP que ne le peuvent les plus grands scanners. Cela signifie que les chercheurs peuvent administrer une dose plus faible de matières radioactives tout en obtenant un bon instantané biologique. La capture de plus de signaux permet également à AMPET de créer des images à plus haute résolution que le PET ordinaire.

Mais le plus important, Les TEP permettent aux chercheurs de voir plus loin dans le corps que d'autres outils d'imagerie. Cela permet à AMPET d'atteindre des structures neuronales profondes pendant que les sujets de recherche sont debout et en mouvement.

"Beaucoup de choses importantes qui se passent avec émotion, Mémoire, et le comportement sont bien au centre du cerveau :les noyaux gris centraux, hippocampe, amygdale, ", a déclaré Brefczynski-Lewis.

Du point de vue d'un psychologue ou d'un neuroscientifique, AMPET pourrait ouvrir des portes à une variété d'expériences, de l'exploration des réactions du cerveau à différents environnements aux mécanismes impliqués dans la dispute ou l'amour.

Brefczynski-Lewis a décrit des façons d'utiliser AMPET pour étudier l'activité cérébrale qui sous-tend les émotions. "Actuellement, nous effectuons des tests pour valider l'utilisation d'environnements de réalité virtuelle dans de futures expériences, " dit-elle. Dans cette "réalité virtuelle, " les volontaires lisaient à partir d'un script conçu pour mettre le sujet en colère, par exemple, pendant que son cerveau est scanné.

Dans le domaine médical, le casque de balayage pourrait aider à expliquer ce qui se passe pendant les traitements médicamenteux, ou faire la lumière sur les troubles du mouvement.

« Il existe une sous-population de patients parkinsoniens qui ont de grandes difficultés à marcher, mais peut faire du vélo avec facilité et sans hésitation, " dit Schlyer, qui est également professeur adjoint au département de radiologie du Weill Cornell Medical College, où il étudie la maladie de Parkinson. « Qu'est-ce qui se passe dans leur cerveau qui rend ces deux activités si différentes ? Avec cet appareil, nous pourrions surveiller l'activation régionale du cerveau lorsque les patients marchent et font du vélo, et potentiellement répondre à cette question."

Brefczynski-Lewis a noté, « Nous avons réussi à imager le cerveau d'une personne marchant sur place. Nous sommes maintenant prêts à créer une version prête pour le laboratoire. Ce fut un voyage passionnant :découvrir les besoins de différents neuroscientifiques et développer cet appareil qui, nous l'espérons, répondra un jour à ces besoins. , et nous aider dans notre quête pour comprendre le cerveau."

Le projet RatCAP à Brookhaven a été financé par le DOE Office of Science. RHIC est une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science pour la recherche en physique nucléaire.