Cartographie de la sensibilité de l’oxygénation du sang du cerveau et de la connectivité du réseau cérébral

Pionnier des techniques d’imagerie avancées, le Dr Zhifeng Kou et son équipe de recherche de la Wayne State University explorent les changements qui se produisent dans le cerveau après un traumatisme crânien. Grâce à une meilleure identification et un meilleur diagnostic des anomalies vasculaires, leurs outils d’imagerie sophistiqués et non invasifs ont le potentiel d’améliorer les résultats des patients après un traumatisme crânien.

Les recherches du Dr Zhifeng Kou se concentrent sur le développement e de techniques d’imagerie non invasives pour étudier la fonction cérébrale suite à des traumatismes crâniens (TCC). Sur la base de l’imagerie et de la cartographie pondérées par la susceptibilité et d’autres techniques de perfusion, son équipe a développé de nouvelles méthodes pour quantifier précisément l’oxygénation du sang cérébral et la viabilité des tissus cérébraux. L’équipe a également développé un nouveau cadre, le domaine de la connectivité, pour étudier les réseaux fonctionnels et structurels du cerveau. Ensemble, ces outils ont d’énormes implications potentielles pour le diagnostic, l’optimisation de la prise en charge et le traitement des patients souffrant de TBI.

Lésions cérébrales traumatiques (TCC)
Les lésions cérébrales traumatiques, souvent appelées TCC, sont des blessures complexes qui surviennent lorsque le cerveau est blessé par une force externe, soit par impact direct, soit par inertie les forces. Les exemples incluent les accidents de la route, les chutes, les agressions ou les blessures sportives. Les TCC présentent un large éventail de symptômes et d’incapacités, et leur impact sur une personne et sa famille peut être dévastateur. Avec 1,7 million de cas chaque année aux États-Unis seulement, le TBI est une des principales causes de décès et d’invalidité chez les enfants et les jeunes adultes. Actuellement, plus de 5,7 millions d’Américains vivent avec les séquelles d’un handicap induit par le TBI. Il existe deux types de lésions cérébrales à la suite d’un traumatisme crânien: les lésions cérébrales primaires qui sont utilisées pour décrire les lésions instantanées provoquées par la lésion et les lésions cérébrales secondaires qui font référence à tout dommage ultérieur qui évolue au fil du temps. Suite à la lésion primaire, l’ischémie cérébrale (faible apport sanguin), ou l’hypoxie (faible apport en oxygène) et la manifestation de micro-saignements cérébraux (CMB) sont les complications les plus importantes pouvant compromettre gravement la santé du patient. Il est donc important de mettre en œuvre des méthodes efficaces permettant la détection précoce des tissus cérébraux à risque d’ischémie cérébrale et d’hypoxie, évaluant ainsi l’état des patients et de mettre en œuvre des stratégies de traitement spécifiques au patient afin de prévenir le développement de lésions secondaires.

Sous-diagnostics des lésions cérébrales traumatiques (TCC)
Bien que les lésions vasculaires cérébrales soient courantes pendant les TCC, elles sont mal comprises. Suite à la lésion cérébrale primaire, l’ischémie cérébrale, l’hypoxie et les CMB entraînent toutes des complications graves qui peuvent avoir un effet dévastateur sur le patient. Ceux-ci incluent les convulsions, les maux de tête, la perte de mémoire, les étourdissements et la dépression. Malgré cela, les méthodes d’imagerie clinique actuelles ne sont pas suffisamment sensibles pour détecter de manière fiable les CMB. Il n’est donc pas surprenant que la recherche actuelle se concentre sur l’introduction de stratégies innovantes pour aider à évaluer dans quelle mesure le cerveau a été blessé.

Le Dr Kou introduit des stratégies innovantes pour aider à évaluer dans quelle mesure le cerveau a été blessé.

En plus de l’effet vasculaire cérébral, le cerveau remplit des fonctions cognitives à travers les interactions de différents réseaux neuronaux. Une lésion cérébrale modifiera probablement la connectivité et la dynamique de ces réseaux neuronaux. Une nouvelle méthode développée par le groupe du Dr Kou, appelée analyse du domaine de la connectivité, permet un moyen plus fiable de mesurer la connectivité du réseau cérébral entre différents centres et populations.

Cartographie des micro-saignements après TBI – développement d’une technique non invasive innovante
Le Dr Kou, professeur agrégé de génie biomédical et de radiologie à la Wayne State University, et son équipe ont introduit un roman technique non invasive qui évalue avec succès et efficacité le tissu cérébral régional pour les dommages ischémiques et d’hypoxie irréversibles en soins intensifs. Conçue pour révolutionner les diagnostics cliniques des lésions cérébrales dans les contextes cliniques aigus, la méthode du Dr Kou est basée sur la détection de marqueurs importants qui évaluent l’étendue des lésions suite à un TBI. Premièrement, les CMB sont fortement associés aux résultats des patients. Étant donné que le volume et le nombre de CMB peuvent être utilisés efficacement pour prédire la présence de lésions cérébrales chez les patients TBI (par rapport aux témoins neurologiquement sains du même âge), leur détection et leur suivi dans le temps constituent un excellent moyen de surveiller le rétablissement des patients. Deuxièmement, l’outil du Dr Kou tire parti du fait qu’un métabolisme cérébral anormal (mesuré par le taux métabolique d’oxygène du cerveau, ou CMRO2), est associé à de mauvais résultats chez les patients TBI.

L’importance de l’imagerie et de la cartographie pondérée de la sensibilité (SWIM)
Les micro-saignements sont des biomarqueurs diagnostiques importants pour le TBI mais très difficiles à détecter en utilisant les méthodes d’imagerie actuelles. En collaboration avec le Dr E Mark Haacke, un pionnier de l’IRM dans le développement de l’imagerie et de la cartographie pondérées par la sensibilité (SWIM), l’équipe du Dr Kou a développé la quantification des micro-saignements cérébraux et l’oxygénation des tissus cérébraux chez les patients TBI. Plus précisément, leur technique est basée sur une estimation approfondie de l’oxygénation du sang dans les principales veines – un peu comme les cathéters encastrés dans le cerveau – qui agissent comme des marqueurs de l’oxygénation des tissus drainants. Leur outil a l’avantage sur les méthodologies actuelles, qui sont non seulement hautement invasives, mais également intrinsèquement limitées à une région spécifique du système vasculaire cérébral. Dans une étude récemment publiée sur 23 patients TBI, SWIM a pu différencier les hémorragies des veines normales chez les patients TBI de manière semi-automatisée avec une sensibilité et une spécificité raisonnables. En intégrant davantage SWIM aux techniques de perfusion, ils ont développé de nouvelles méthodes pour mesurer le taux métabolique cérébral de l’oxygène (CMRO2). Ils ont créé une carte spécifique au patient du taux métabolique cérébral des niveaux d’oxygène (CMRO2). L’équipe de recherche explore actuellement la valeur prédictive de cette carte CMRO2 pour les résultats des patients TBI, six mois après la blessure.

La biologie synthétique a un grand potentiel pour installer avec précision
voies modifiées avec une spécificité inégalée, bien supérieure
aux méthodes conventionnelles de génie génétique.

Domaine de connectivité du réseau cérébral: un moyen d’étudier la fonction cérébrale suite à une blessure
Le Dr Kou et son équipe mettent clairement en évidence l’utilisation de techniques cliniques non invasives pouvant permettre des mesures de l’hémodynamique cérébrale et la détection des changements métaboliques et connectomiques du cerveau suite à des traumatismes crâniens. Cependant, les recherches du Dr Kou ne se limitent pas à la cartographie de la sensibilité de l’oxygénation cérébrale. Un autre objectif est de déployer la connectivité du réseau cérébral sous-jacent, y compris les réseaux fonctionnels et structurels. En collaboration avec le groupe du Dr Tianming Liu de l’Université de Géorgie, l’équipe du Dr Kou élabore de nouvelles approches pour mesurer les connectivités des réseaux cérébraux à grande échelle. Ceci est basé sur des mesures analytiques issues de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) qui peuvent déclencher des investigations concernant la connectivité cérébrale, et donc décrire et évaluer la fonction cérébrale. Plus spécifiquement, la connectivité du réseau cérébral peut être générée en utilisant des modèles théoriques, qui définissent si un certain modèle correspond aux données exportées, et des méthodes basées sur les données basées sur l’extraction de caractéristiques à partir de données IRMf. Cependant, et comme noté par Iraji et al. (2016), la transformation des données respectives est désormais effectuée sur un nouveau domaine – le domaine de la connectivité, par opposition au domaine temporel conventionnel – pour surmonter la différence entre les individus et les centres. Cette méthode offre des niveaux élevés de sensibilité et de spécificité qui peuvent identifier les changements de connectivité structurelle et fonctionnelle à l’échelle du connectome au stade aigu.

Fournir des solutions personnalisées aux problèmes cliniques
De manière passionnante, la recherche du Dr Kou présente des techniques d’imagerie innovantes, non invasives et sophistiquées qui ont la capacité d’améliorer l’identification et le diagnostic précoces des anomalies vasculaires après TBI. Non seulement la détection précoce permet une évaluation précise de l’état des patients, mais elle est également nécessaire pour la mise en œuvre de stratégies de traitement spécifiques au patient pour empêcher le développement de blessures secondaires. Leur évaluation non invasive de l’hémodynamique cérébrale améliore notre compréhension de la façon dont le cerveau est capable de récupérer après un TBI. En outre, le développement d’outils d’évaluation à l’échelle du connectome peut permettre une évaluation distincte et l’identification des changements de connectivité structurelle et fonctionnelle provoqués par une lésion cérébrale traumatique légère au stade aigu. L’importance de cette recherche est validée par le fait que le Dr Kou a reçu un mandat du Bureau du Vice-président pour la recherche pour créer un centre d’excellence en TBI. Les recherches du Dr Kou ont un énorme potentiel pour un suivi optimal du rétablissement et des résultats des patients.

Références: Iraji A. et al., 2016. Neuroimage, 134, pp. 494–507

Cliquez ici pour lire l’article complet.