Orientations des fibres nerveuses codées en couleur dans une section de cerveau obtenue par imagerie de la lumière diffusée (SLI, à gauche) et diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS, à droite). Crédit : TU Delft
La technique d’imagerie par diffusion de la lumière (SLI) constitue une méthode rentable et à haute résolution pour cartographier les connexions neuronales dans le cerveau. Cette technique, qui consiste à analyser les modèles de diffusion de la lumière dans de fines tranches de cerveau, offre des résultats plus détaillés que les méthodes existantes telles que l’IRMd, et est plus accessible et plus rapide que le SAXS.
Le démêlage du réseau complexe de fibres nerveuses du cerveau devient facilement accessible grâce à l’imagerie par lumière diffusée (SLI) : des chercheurs de Delft, Jülich (Allemagne) et Stanford (États-Unis) ont réussi à combiner la diffusion de la lumière et des rayons X avec l’IRM pour discerner les trajectoires des fibres nerveuses, y compris dans les régions où les fibres sont fortement enchevêtrées. La SLI a révélé les trajectoires de manière très détaillée, tout en étant beaucoup plus rapide et moins coûteuse que les techniques de rayons X et d’IRM. Une cartographie aussi détaillée est essentielle pour mieux comprendre comment les fibres nerveuses sont connectées à l’intérieur du cerveau.
Sommaire
Les voies du cerveau
Les différentes zones du cerveau sont reliées entre elles par des milliards de fibres nerveuses. Ces connexions sont essentielles au bon fonctionnement du cerveau. La recherche d’une carte complète de toutes les connexions neuronales dépend essentiellement des techniques d’imagerie qui peuvent démêler ces fibres, dont la plupart ne font qu’un micromètre d’épaisseur. Les régions où les fibres nerveuses sont très denses et fortement entrelacées posent un défi particulier. Miriam Menzel, professeur adjoint au département de physique de l’imagerie de l’université technique de Delft, a mis au point la technique SLI pour étudier ces constellations de fibres : « Nous faisons briller la lumière sous différents angles à travers des tranches de cerveau fines comme un cheveu et nous analysons les modèles de diffusion qui en résultent. Nous ne prenons pas une photo des neurones ou des synapses, mais nous voulons savoir comment ils sont connectés. C’est important pour comprendre le fonctionnement et le dysfonctionnement du cerveau ».
Plus accessible, moins cher et plus rapide
La diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) est une méthode bien établie en science des matériaux pour étudier l’organisation de différentes structures à l’aide d’un synchrotron, tandis que l’imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) est une technique importante en clinique pour visualiser le réseau tridimensionnel de fibres nerveuses du cerveau. « Nous venons de montrer que les données de l’ISL sont cohérentes avec celles de la SAXS et de l’IRMd dans les tranches de cerveau examinées, mais que l’ISL offre une résolution plus élevée que l’IRMd et qu’elle est plus accessible, moins chère et plus rapide que les autres techniques. Il s’agit d’une étape importante », déclare M. Menzel. « Nous pouvons effectuer des mesures SLI avec une simple source de lumière LED et une caméra en quelques secondes, sans avoir besoin d’un synchrotron de plusieurs millions d’euros ni d’un scanner IRM. Ce système portable pourrait facilement être installé dans les laboratoires de pathologie pour faciliter la recherche clinique. »
Résolution microscopique
Mme Menzel a passé ces dernières années à travailler sur la technique SLI, d’abord à Jülich et maintenant à Delft. Elle l’a également mise en œuvre à Stanford, où ses collègues chercheurs ont effectué des mesures SAXS et IRMd sur des échantillons de cerveau également imagés avec SLI. « La plupart des techniques d’imagerie peinent à discerner les voies individuelles dans les structures cérébrales denses contenant de nombreuses fibres nerveuses enchevêtrées ou entrelacées », explique Mme Menzel. « Les troubles spécifiques du langage ont permis d’obtenir des cartes d’orientation des fibres avec une résolution microscopique dans ces régions denses. Les orientations bidimensionnelles (« dans le plan ») des fibres ont été discernées avec une grande précision.
Prochaines étapes
« Le fait d’être à Delft offre des possibilités passionnantes de développer davantage la technique et de travailler sur de nouvelles applications », déclare Menzel. L’équipe prévoit d’appliquer la SLI à d’autres types de fibres, telles que les fibres musculaires et de collagène, et d’élargir la zone de tissu pouvant être étudiée. L’objectif est de mettre au point un système petit et portable qui puisse être facilement déployé dans d’autres laboratoires. « À long terme, nous espérons appliquer la technique en clinique également.
Référence : « Using light and X-ray scattering to untangle complex neuronal orientations and validate diffusion MRI » par Miriam Menzel, David Gräßel, Ivan Rajkovic, Michael M Zeineh et Marios Georgiadis, 11 mai 2023, eLife.
DOI : 10.7554/eLife.84024