Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou IRMf, a transformé notre vision du cerveau, permettant aux chercheurs d'identifier les domaines associés à tout, de la dépression à la démence, en passant par le jeu d'échecs et les relations sexuelles.

Sa principale limitation, cependant, est la résolution :même les scanners les plus puissants, utilisant des aimants puissants de 7 à 10 Tesla (7T à 10T), ne peut souvent localiser l'activité que dans une région de plusieurs millimètres de côté - la taille d'un grain de riz - qui en comprend une centaine, 000 neurones individuels faisant une variété de choses différentes.

Pour zoomer sur de plus petits groupes de neurones, Université de Californie, Les chercheurs de Berkeley ont repensé les techniques et les instruments d'IRMf pour multiplier la résolution par un facteur 20. Ils utiliseront une nouvelle subvention BRAIN Initiative de 13,43 millions de dollars des National Institutes of Health pour construire le NexGen 7T d'ici 2019 afin de fournir les images du cerveau à la plus haute résolution. jamais obtenu, capable de se concentrer sur une région de la taille d'une graine de pavot.

"Notre innovation dans la technologie IRM nécessite une refonte totale de la quasi-totalité des composants du scanner, pas seulement un changement progressif, " a déclaré le chercheur principal David Feinberg, professeur adjoint au Helen Wills Neuroscience Institute de l'UC Berkeley et président d'Advanced MRI Technologies. "L'imagerie à résolution beaucoup plus élevée surmontera les barrières de taille dans l'imagerie du cortex et devrait conduire à de nouvelles découvertes dans le cerveau humain, espérons-le avec un impact médical majeur."

Avec la possibilité de localiser l'activité dans un volume de 0,4 millimètre de côté, ils pourront imager des régions fonctionnelles dans lesquelles la plupart des neurones sont impliqués dans le même type de traitement. Les dimensions sont essentielles car la couche externe du cerveau, le cortex cérébral, est composé de microcircuits répétitifs en forme de colonnes de neurones de 0,4 millimètre de côté et de 2 millimètres de long. Dans le cortex visuel, par exemple, chaque colonne répond à une particularité du monde sensoriel, tels que les bords verticaux des objets par opposition aux bords horizontaux.

L'IRM ultra haute résolution pourra zoomer sur ces colonnes et enregistrer leur activité, et ils relieront plus facilement ces colonnes aux études de l'activité des neurones individuels.

"C'est une avancée révolutionnaire, " dit Ehud Isacoff, directeur du Helen Wills Neuroscience Institute et professeur de biologie moléculaire et cellulaire. "Cela amènerait les études de la fonction et des circuits du cerveau humain à la plus grande échelle en scrutant le microcircuit cortical fondamental et, Donc, permettent de relier l'analyse non invasive de la fonction cérébrale humaine à des études animales invasives de cellules et de circuits locaux d'une manière jamais possible auparavant."

Suivi du flux sanguin

L'IRM fonctionnelle (IRMf) fonctionne en suivant le sang oxygéné à mesure qu'il se déplace dans le cerveau. Les neurones actifs nécessitent plus d'oxygène pour brûler du carburant et nécessitent donc l'apport de sang plus oxygéné.

L'IRM clinique est généralement utilisée pour rechercher des anomalies du flux sanguin dans le cerveau ; L'IRMf est principalement utilisée pour rechercher la fonction cérébrale, localiser les zones qui sont actives au cours de processus tels que la perception ou la mémorisation.

La résolution spatiale des enregistrements IRMf dépend de la variation ou du gradient du champ magnétique et indirectement de la taille des détecteurs, qui sont des bobines de fil disposées autour de la tête pour capter les signaux faibles. Alors que les IRM cliniques nécessitent de grandes bobines pour imager profondément dans le cerveau, Feinberg a conçu un système d'IRMf avec un nombre beaucoup plus grand de bobines plus petites qui fournissent un signal beaucoup plus fort, produisant la résolution plus élevée dans la surface externe du cerveau nécessaire pour identifier les couches clés du cortex.

Le nouveau scanner donnera aux neuroscientifiques la possibilité de se concentrer sur les couches corticales où résident la plupart des circuits neuronaux, ainsi que de mieux identifier les circuits à grande échelle reliant différentes régions du cerveau.

Feinberg et ses collègues collaboreront avec Siemens, un leader mondial dans la fabrication de scanners IRM, non seulement pour construire des composants pour le nouveau système d'IRMf, mais pour s'assurer que la conception peut être rapidement améliorée pour produire des scanners de nouvelle génération pour les chercheurs du monde entier.

« Il s'agit d'un nouveau type de partenariat qui permettra une diffusion sans précédent des connaissances et de l'innovation à la communauté de la recherche, " a déclaré Isacoff.

Feinberg, un physicien, fera équipe avec Chunlei Liu, un professeur agrégé de génie électrique et d'informatique spécialisé dans l'imagerie par résonance magnétique ; Jacques Gallant, un professeur de psychologie qui a collaboré avec Feinberg pour tester de nouvelles façons d'extraire des informations des IRMf d'aujourd'hui; Ana Arias, un professeur d'EECS et un expert en électronique flexible; Michel Lustig, un professeur agrégé d'EECS qui a développé de nouvelles façons d'accélérer l'IRM ; Michel Argent, un professeur d'optométrie qui utilise l'IRMf pour étudier les zones visuelles du cerveau et comment le traitement neuronal dans ces zones est influencé par l'attention et l'apprentissage perceptif; et Pratik Mukherjee, neuroradiologue clinicien et professeur de radiologie et de bio-ingénierie à l'UCSF et à l'hôpital San Francisco Veterans Administration, qui espère utiliser la nouvelle IRMf pour comprendre et traiter les lésions cérébrales traumatiques, autisme et épilepsie.

Parmi les autres collaborateurs clés figurent des chercheurs du département de radiologie de l'Université Harvard/Massachusetts General Hospital, dont Kawin Setsompop, un ingénieur pionnier de la technologie d'accélération d'image; Laurent Wald, un physicien qui conçoit et intègre la technologie des bobines; et Jonathan Polimeni, un scientifique spécialisé dans l'IRMf haute résolution.

"L'amélioration de la résolution provient des innovations dans la conception du matériel, contrôle du scanner et calcul d'images, " dit Liu, le co-chef de projet.

Galant, Liu et Silver sont également membres du Helen Wills Neuroscience Institute et de la Berkeley Brain Initiative.

Berkeley et IRM

"Le résultat de cette IRMf ultra-haute résolution sera la vision la plus avancée à ce jour de la façon dont les propriétés de l'esprit, comme la perception, mémoire et conscience, émerger des opérations cérébrales, " Feinberg a déclaré. "La capacité d'observer des perturbations dans les structures et les fonctions du cerveau fera progresser radicalement le diagnostic et la compréhension des maladies neurologiques et neurodégénératives."

L'UC Berkeley est impliquée dans le développement de l'IRM peu après la découverte de la résonance magnétique nucléaire dans les années 1940. Le regretté physicien de l'UC Berkeley Erwin Hahn a fait plusieurs découvertes clés, y compris l'effet d'écho de spin, qui a conduit à l'IRM moderne.

Hahn a décrit les principes de création d'un signal d'écho de gradient en commutant rapidement un gradient magnétique, et l'écho de gradient est devenu le fondement de l'imagerie écho planaire (EPI), maintenant utilisé essentiellement pour toutes les IRMf, dit Feinberg. PEV, qui fait des images de film instantané du cerveau pour effectuer une IRMf, a été inventé par Sir Peter Mansfield, qui en 2003 a partagé le prix Nobel de physiologie ou de médecine pour le développement de l'IRM.

Le prix de l'initiative BRAIN à Feinberg est la plus importante des quatre subventions sur cinq ans totalisant 39,7 millions de dollars annoncées la semaine dernière par le National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, décerné à des chercheurs développant des outils d'imagerie non invasifs pour étudier le cerveau humain

"Chaque projet est basé sur de nouveaux concepts, représentant les types d'outils dont nous avons besoin pour l'avenir de l'imagerie non invasive pour la communauté des neurosciences, " a déclaré Guoying Liu, directeur du programme IRM du NIBIB.