NeuroSpin
CENTRE DE NEURO-IMAGERIE EN CHAMP INTENSE
Comprendre le cerveau par l'image

http://www-dsv.cea.fr/content/cea/d_dep/d_drm/d_shfj/NeuroSpin_sommaire.htm

 

Repousser à l'extrême les limites actuelles de l'imagerie cérébrale, de la souris à l'homme, par la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à très haut champ magnétique, tel est l'objectif de NeuroSpin. L'imagerie par RMN permet d'observer des organes profonds avec une sensibilité d'autant plus grande que le champ magnétique est intense. Bénéficiant du savoir-faire du CEA en matière d'aimants et de RMN, ce plateau technique sera équipé d'outils d'imagerie par RMN d'une puissance à ce jour inégalée.

 

Une meilleure compréhension du fonctionnement du cerveau humain aura un impact direct dans le domaine de la santé (neuroradiologie et imagerie médicale, neurologie, neurochirurgie, psychiatrie, de l'adulte comme de l'enfant…), mais aussi dans celui de la société (communication entre individus, éducation, ergonomie…).

Cette quête de la connaissance du cerveau relève de défis scientifiques et techniques majeurs dans un ensemble de domaines: physique, mathématiques, informatique, neurosciences, sciences humaines et sociales…

La capacité du CEA à développer et à innover est le résultat d'une culture croisée ingénieurs-chercheurs-médecins et trouve sa source dans une recherche fondamentale et appliquée de haut niveau, indispensable à l'émergence de nouveaux concepts.

C'est dans ce cadre que le CEA propose NeuroSpin pour concevoir, réunir et utiliser un ensemble de grands instruments physiques dédiés à l'imagerie du vivant.

Située à Saint-Aubin dans l'enceinte du centre CEA de Saclay, cette plate-forme d'imagerie unique en Europe disposera de ressources exceptionnelles et d'outils très performants (aimants supraconducteurs originaux, calculateurs puissants, laboratoires, équipes multidisciplinaires…). Il complètera les installations existantes du Service Hospitalier Frédéric Joliot à Orsay dédiées à l'imagerie radioisotopique et notamment à la tomographie par émission de positons.

Réunissant physiciens et neurobiologistes, en étroite collaboration avec les autres organismes de recherche et les universités, en particulier d'Ile-de-France, le plateau technique NeuroSpin assurera la coordination des recherches, la mise en réseau des compétences et l'optimisation des moyens. Environ 150 chercheurs, médecins, étudiants, ingénieurs, techniciens… sont attendus pour développer de nouveaux outils et de nouvelles méthodologies au service de la santé.

Fédérateur de nombreux partenariats régionaux, nationaux et internationaux, NeuroSpin constituera un véritable moteur de l'innovation et de la diffusion technologique qui bénéficiera en premier lieu au tissu industriel et économique de la région Ile-de-France.

Une fraction croissante de la population des pays développés est touchée chaque année par des affections neurologiques ou psychiatriques. Des sommes considérables sont dépensées pour le traitement et la rééducation de ces patients. L'espérance de vie augmente et les bénéfices potentiels de recherches sur le fonctionnement cérébral sur une population vieillissante sont évidents. Mais cette recherche peut aussi grandement améliorer nos sociétés, en apportant, par exemple, une meilleure compréhension des processus de communication entre individus, des comportements collectifs ou encore une optimisation des méthodes d'apprentissage.

 

De nouveaux types d'ordinateurs "biologiques" s'inspirant du fonctionnement cérébral pourraient être conçus. L'interface homme-machine (conception de robots, ergonomie des cockpits des avions ou des tableaux de bord des voitures…) peut être améliorée par nos connaissances sur le fonctionnement cérébral. L'enjeu est donc considérable et la compréhension, même partielle, du cerveau humain constitue l'un des défis de ce siècle.

Dans cette quête exploratoire, l'imagerie neurofonctionnelle a bouleversé les sciences du vivant. Elle détient aujourd'hui une place unique en permettant l'obtention d'informations in vivo et in situ sur le fonctionnement de tous les organismes vivants, et ce, de manière non traumatique. Non seulement elle complète, mais elle affine les données biologiques provenant d'autres approches (telles la biologie moléculaire et l'électrophysiologie…). Les images obtenues apportent des informations couplées à la fois d'ordre anatomique (agencement des tissus dans les organes) et fonctionnel (état métabolique, par exemple). D'une façon générale, l'imagerie biomédicale s'est imposée au cours de ces dernières années dans de nombreux domaines de la biologie et de la médecine. Elle s'est essentiellement développée dans deux directions: l'imagerie fonctionnelle cérébrale et l'imagerie moléculaire.

- L'imagerie fonctionnelle cérébrale relève de l'étude des processus cognitifs humains, chez le sujet normal ou le patient. Elle vise à relier fonctions cognitives supérieures (perception des objets, langage, attention, mémoire, raisonnement, action…) avec leur composante biologique, le substrat neural. La neuro-imagerie est une méthodologie aujourd'hui devenue indispensable aux études de neurosciences cognitives. Elle permet d'appréhender les bases cérébrales impliquées dans les processus cognitifs humains et ce, chez le sujet normal ou le patient.

- L'imagerie "moléculaire" s'intéresse, quant à elle, au développement d'une imagerie de l'expression des gènes. Elle permettra, à terme, de traduire l'immense gisement que constitue la connaissance du génome, en information fonctionnelle, utilisable en physiologie, physiopathologie ou pharmacologie. Grâce à ces méthodologies, suivre, fonctionnellement et anatomiquement, le développement du cerveau d'un embryon de souris sera désormais possible. Comprendre, prévenir ou traiter les maladies neurologiques causées par des anomalies génétiques ou acquises lors du développement cérébral constituent l'enjeu même de ces techniques d'imagerie.

L'imagerie biomédicale se heurte aujourd'hui encore à un certain nombre de contraintes techniques qui limitent ses potentialités : les résolutions spatiales atteintes excèdent largement l'unité fonctionnelle qui sous-tend l'activité cérébrale, le neurone; les résolutions temporelles sont en général voisines de la seconde quand la milliseconde serait plus représentative des processus mis en jeu ; les paramètres visualisés (débit sanguin) ne sont que le reflet indirect du fonctionnement des neurones. Pour dépasser ces obstacles et repousser à l'extrême les limites actuelles de l'imagerie, le CEA s'engage dans la construction d'un plateau technique où seront développés et utilisés des outils d'imagerie d'une puissance à ce jour inégalée. La technique physique privilégiée est la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).

La RMN fait appel aux propriétés magnétiques des noyaux des molécules. Elle utilise un aimant ayant un champ magnétique élevé et homogène ainsi qu'un équipement électronique et informatique spécialisé. Déclinable selon plusieurs modalités (spectroscopie, imagerie anatomique ou fonctionnelle…), la RMN permet d'accéder à un grand nombre de molécules et de paramètres physiques différents de manière non traumatique et sans utilisation d'isotopes radioactifs. Traduisant de très faibles aimantations des tissus, elle permet l'observation, en trois dimensions et avec une grande précision, d'organes profonds et opaques avec une sensibilité d'autant plus grande que le champ magnétique augmente.

 

LA RÉSONANCE MAGNÉTIQUE À HAUT CHAMP

 

L'imagerie biomédicale se heurte aujourd'hui encore à un certain nombre de contraintes techniques qui limitent ses potentialités : les résolutions spatiales atteintes excèdent largement l'unité fonctionnelle qui sous-tend l'activité cérébrale, le neurone; les résolutions temporelles sont en général voisines de la seconde quand la milliseconde serait plus représentative des processus mis en jeu ; les paramètres visualisés (débit sanguin) ne sont que le reflet indirect du fonctionnement des neurones. Pour dépasser ces obstacles et repousser à l'extrême les limites actuelles de l'imagerie, le CEA s'engage dans la construction d'un plateau technique où seront développés et utilisés des outils d'imagerie d'une puissance à ce jour inégalée. La technique physique privilégiée est la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).

La RMN fait appel aux propriétés magnétiques des noyaux des molécules. Elle utilise un aimant ayant un champ magnétique élevé et homogène ainsi qu'un équipement électronique et informatique spécialisé. Déclinable selon plusieurs modalités (spectroscopie, imagerie anatomique ou fonctionnelle…), la RMN permet d'accéder à un grand nombre de molécules et de paramètres physiques différents de manière non traumatique et sans utilisation d'isotopes radioactifs. Traduisant de très faibles aimantations des tissus, elle permet l'observation, en trois dimensions et avec une grande précision, d'organes profonds et opaques avec une sensibilité d'autant plus grande que le champ magnétique augmente.

Aujourd'hui, la plupart des systèmes d'imagerie par RMN (ou IRM) installés dans les hôpitaux fonctionnent à des champs inférieurs ou égaux à 1,5 T (Le tesla est l'unité de champ magnétique: le champ magnétique terrestre à Paris est de 0,00005 tesla.) Le développement de protocoles de recherche plus ambitieux exige des appareils à plus haut champ (> 3 T). Récemment, les États-Unis se sont dotés d'un appareil à très haut champ opérant à 7 ou 8 T destinés aux études sur l'homme.

Des systèmes "clefs en main" opérants à 4,7 T et 9,4 T existent déjà pour des études chez l'animal. Ils servent à des applications biologiques ou pharmacologiques quasi-industrielles. Des systèmes encore plus performants sont disponibles avec des aimants de 11 voire 17 T et des diamètres variant de 10 à 40 cm. Chez l'homme le recours à des champs au-delà de 10 T sur des diamètres proches de 1 m demeure un défi technologique.

Pour relever ce défi technologique, NeuroSpin sera équipé de plusieurs types d'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) en champ intense.

- un système 3 T pour l'étude clinique (volontaires, patients),
- un système haut champ (> 10 T) pour l'étude chez l'homme,
- un système haut champ (> 10 T) pour l'étude pré-clinique,
- un système très haut champ (> 17 T) pour l'étude chez la souris.

Au cœur des appareils RMN développés se trouveront des aimants de champs magnétiques élevés et homogènes réalisé à partir de matériaux "supraconducteurs" refroidis dans l'hélium liquide.

La réalisation des aimants à très hauts champs va bénéficier du savoir-faire des équipes de la Direction des Sciences de la Matière du CEA qui contribuent à l'équipement des accélérateurs de particules du CERN et à la réalisation de détecteurs associés.

Ensemble et en synergie ils développeront outils et modèles nécessaires pour repousser à l'extrême les limites actuelles de l'imagerie dans l'exploration du cerveau. Ces méthodologies permettront de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau humain ainsi que ses anomalies de développement et ses dysfonctionnements

Environ 150 chercheurs, médecins, cliniciens, biologistes, physiciens et techniciens s'uniront pour faire reculer les limites actuelles de l'imagerie cérébrale.

- Les équipes méthodologiques s'attacheront à repousser les limites techniques de l'imagerie et à créer de nouvelles approches, permettant de cartographier des paramètres biologiques fondamentaux depuis la conception d'aimants aux logiciels d'analyse d'images.
- Les équipes de neurosciences, de sciences cognitives, de psychologues, linguistes, cliniciens bénéficieront de ces apports méthodologiques pour leur thématique propre, qu'il s'agisse de biologie moléculaire ou cellulaire, de neurobiologie du développement et de l'étude du post-génome, de neurosciences ou de sciences cognitives. Cette interface particulière entre méthodologistes, neurobiologistes et médecins constitue un environnement exceptionnel où seront relevés les défis actuels de l'imagerie cérébrale afin de mieux comprendre le fonctionnement, le développement et dysfonctionnement du cerveau humain.

Ce centre, à vocation nationale et internationale, alliant développements méthodologiques d'avant-garde et applications dans des domaines neurobiologiques du plus grand intérêt, dotera la région Ile-de-France d'un instrument unique. Son équipement ainsi que ceux des centres existant à proximité (Service Hospitalier Frédéric Joliot) se positionneront confortablement au sein de l'Europe face aux réalisations similaires en cours dans d'autres institutions prestigieuses comme les NIH ou le complexe Harvard-MIT aux USA.

A vocation nationale et internationale, NeuroSpin participera à la constitution d'un centre d'excellence européen dont l'un des pôles français avait été proposé par le Ministère de la Recherche, en région Ile-de-France. Partie intégrante du CEA de Saclay à proximité de l'Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires, situé sur la commune de Saint-Aubin (Essonne), NeuroSpin s'inscrit dans la complémentarité méthodologique du Service Hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ) à Orsay où se trouve déjà un plateau technique d'imagerie radio-isotopique unique en Europe. Leur proximité géographique et leur gestion par le même organisme, constituent des atouts considérables.

La proximité de ces instruments avec le campus universitaire d'Orsay, l'IPN, l'IN2P3, les laboratoires CNRS de Gif-sur-Yvette (en particulier en neurosciences et RMN), l'institut d'Optique et les grandes écoles, de même les partenariats construits de longue date au sein du SHFJ entre le CEA, le CNRS, l'Inserm, l'Assistance Publique des Hôpitaux de Paris (AP-HP), les Universités (Paris XI et Paris V notamment), les grandes écoles d'ingénieurs (ENST, Polytechnique, ENS, Supélec, Centrale…) fédèrent compétences humaines et ressources techniques.

Créé il y a 40 ans, le Service Hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ) est aujourd'hui au cœur d'un Institut Fédératif de Recherche (IFR 49 : Imagerie Neurofonctionnelle) et réunit les équipes des autres organismes de recherche.

- Le centre de Fontenay-aux-Roses (CEA) prévoit la construction d'une plate-forme de thérapie génique et d'interface homme-robotique qui complétera les installations du SHFJ et de NeuroSpin.

- Le CIERM (Hôpital de Bicêtre) développe des méthodes d'IRM à visée clinique, en particulier dans le domaine cardio-vasculaire. Il assure la formation d'un grand nombre de cliniciens de l'imagerie en Ile-de-France.

- Le Groupe Hospitalier Pitié-Salpêtrière (AP-HP, AFM) est déjà très lié au SHFJ dans des collaborations très actives en neurologie, neurochirurgie et psychiatrie. Il prévoit de s'équiper d'un instrument d'IRM d'une puissance de 3 T. Ce complexe comporte de plus un centre de recherche en Magnétoencéphalogramme (LENA) du plus haut niveau et expérimente actuellement la Stimulation Magnétique Transcrânienne (TMS).

- L'Inria, l'Inra, l'Institut Pasteur ou la Génopole d'Évry sont également potentiellement intéressés par le développement de ce plateau technique. Implanté près du synchrotron du projet SOLEIL le nouveau Centre bénéficiera des infrastructures prévues (dessertes, hébergement…) pour l'accueil d'étudiants, de chercheurs, de nouvelles équipes de recherche ou pour l'implantation d'industriels intéressés par ses activités.

Prises de brevets, transferts vers l'industrie, développements de PME répondant aux besoins d'aide en imagerie (conception de protocoles, montage de dossiers, optimisation de l'acquisition des données, traitement des données…) des équipes des plateaux techniques hospitaliers ou des collaborateurs de passage émergeront sans aucun doute de NeuroSpin. NeuroSpin contribuera à faire du "plateau de Saclay", en Ile-de-France, un lieu privilégié où sont développés centre de recherche, grands instruments de physique.