Soutenance mémoire
Le cerveau en bref
Le cerveau, situé dans la cavité de la boîte crânienne chez les vertébrés, est le principal organe du système nerveux central (SNC). Le SNC comprend l’encéphale (regroupement du cervelet, cerveau et tronc cérébral) et la moelle épinière, les autres structures anatomiques du système nerveux (nerfs crâniens et nerfs rachidiens) étant regroupées sous le terme de système nerveux périphérique (SNP). La fonction première du cerveau est d’intégrer les informations sensorielles qui lui parviennent, de contrôler la motricité du corps et d’assurer des fonctions cognitives, mais il joue aussi un rôle au niveau de la régulation hormonale. Il possède une structure très complexe bien que le tissu cérébral ne soit composé que de deux types de cellules : les neurones et les cellules gliales. Les neurones assurent le rôle de traitement et de transmission de l’information nerveuse, tandis que les cellules gliales ont un rôle centré autour du support et de la protection des neurones et de leurs fonctions. Les neurones (Figure I-1 (a)) peuvent communiquer entre eux sur de longues distances par le biais de l’axone : un long bras qui s’étend depuis le corps cellulaire du neurone jusqu’à d’autres neurones (mais aussi jusqu’à d’autres cellules pouvant être non neuronales : muscles ou glandes) avec lesquels il établit des connexions appelées synapses. Chaque axone peut établir jusqu’à plusieurs milliers de connexions synaptiques. Les neurones possèdent également un autre type de « bras » appelé « dendrites », sortes de branches ramifiées qui recueillent l’information et l’acheminent vers le corps de la cellule (Figure I-1 (a)). Les signaux transmis par l’axone sont des signaux électrochimiques connus sous le nom de potentiels d’action. Ces potentiels d’actions durent moins d’un millième de seconde et voyagent à travers l’axone à des vitesses pouvant aller jusqu’à 100 m/s. Au niveau de la synapse, l’arrivée du potentiel d’action provoque la libération de neurotransmetteurs, messagers chimiques pouvant se lier aux récepteurs membranaires de la cellule cible et pouvant provoquer son excitation ou au contraire son inhibition. La plupart des axones sont entourés d’une gaine de myéline de couleur blanche et sont regroupés sous forme de faisceaux de fibres nerveuses. Les zones du cerveau dans lesquelles on retrouve une forte densité de ces fibres nerveuses font parties de ce qu’on nomme communément la « substance blanche », tandis que les zones cérébrales dans lesquelles on retrouve majoritairement les corps cellulaires des neurones, plutôt de couleur grise, font parties de la « substance grise ».
Au niveau macroscopique le cerveau se décompose en deux hémisphères cérébraux qui agissent de façon controlatérale : l’hémisphère droit contrôle le côté gauche du corps et inversement. En surface des deux hémisphères cérébraux se trouve la partie du cerveau appelé « cortex cérébral » (Figure I-1 (b)), majoritairement formé de substance grise. Le cortex cérébral se divise en de nombreuses aires fonctionnelles assurant chacune une fonction cognitive précise. On distingue les aires sensorielles (cortex auditif, cortex visuel…), les aires motrices et les aires dites d’association (regroupement des aires n’étant ni motrices ni sensorielles, soit une large gamme de fonctions très diverses). Pour de nombreuses espèces il est aujourd’hui possible de trouver des atlas cartographiant les différentes aires cérébrales de façon plus ou moins précises. Chez le rat et la souris, l’atlas de référence actuellement est l’atlas Paxinos, du nom d’un de ses auteurs (Paxinos and Watson 1982; Franklin and Paxinos 1997 -pour leurs premières versions- Paxinos and Watson 2007; K. B. J. Franklin and Paxinos 2008 –3 ème version de l’atlas souris et 6ème version de l’atlas rat, utilisées actuellement au laboratoire). Les différentes aires cérébrales y sont répertoriées au sein de coupes coronales ou sagittales (Figure I-1 (c)) et chaque coupe est repérée dans un système de coordonnées de stéréotaxie par rapport à deux sutures visibles au niveau de l’os du crâne : Lambda et Bregma (Figure I-1 (d)). D’autres atlas plus récents permettent également de visualiser le cerveau de la souris en 3 dimensions, c’est le cas du Allen Mouse Brain volumetric atlas, accessible depuis internet (http://mouse.brainmap.org/).
Aujourd’hui 1 personne sur 8 en Europe est concernée par les maladies du système nerveux, chiffre qui va encore augmenter avec le vieillissement de la population (sources : Organisation Mondiale de la Santé, European Brain Council, Institut Nationale de la Santé et de la Recherche Médicale, Institut du Cerveau et de la Moelle, Fédération pour la Recherche sur le Cerveau, et Union Nationale des Associations de Familles de Traumatisés Crâniens et cérébro-lésés). Les différentes pathologies affectant le système nerveux peuvent être regroupées sous trois groupes : les maladies neurodégénératives (maladie d’Alzheimer, maladie de Parkinson…), les maladies psychiatriques (dépression, schizophrénie, addiction, autisme…) et les traumatismes du cerveau et de la moelle épinière (traumatisme crânien, lésion de la moelle épinière…). Devant le nombre de personnes concernées et la diversité des pathologies existantes, la recherche médicale (clinique et préclinique) dans le domaine des neurosciences est d’un enjeu considérable aujourd’hui. La recherche préclinique sur des modèles animaux est une étape clé dans le développement de nouveaux médicaments qui ne peuvent pas être directement administrés et testés sur l’Homme sain ou malade. Dans le domaine des neurosciences, l’expérimentation animale est aussi utilisée pour des recherches plus fondamentales : en effet, le cerveau reste encore à l’heure d’aujourd’hui un organe complexe dont le fonctionnement soulève bien des questions. Cette thèse s’inscrit donc dans un besoin constant d’innover et d’améliorer les techniques d’imagerie cérébrale utilisées chez le petit animal afin d’aller encore plus loin dans la compréhension du fonctionnement du cerveau sain ou malade, mais aussi dans l’efficacité des futurs traitements thérapeutiques.
Imagerie cérébrale chez le petit animal
Introduction à l’imagerie cérébrale et au couplage neurovasculaire
Dans le domaine de l’imagerie cérébrale, ou neuroimagerie, on distingue généralement l’imagerie anatomique cérébrale de l’imagerie fonctionnelle cérébrale. La première concerne la mise en évidence des structures cérébrales et leurs modifications éventuelles : lésions, tumeurs, hémorragies… L’imagerie fonctionnelle étudie quant à elle le cerveau en action, son fonctionnement. Même si les deux vont de pair, l’imagerie fonctionnelle reste donc surtout utilisée dans un contexte de recherche fondamentale, visant à mieux comprendre le rôle des diverses structures cérébrales, tandis que l’imagerie anatomique est plus classiquement réalisée lors d’examens cliniques. Si l’imagerie anatomique peut facilement être imaginée comme une photographie du cerveau à un instant t, l’imagerie fonctionnelle repose plutôt sur une vision du cerveau sous un aspect dynamique. Lorsqu’une personne effectue une tâche cognitive particulière son activité cérébrale se traduit par une augmentation de l’activité des neurones, dans les zones cérébrales impliquées dans cette tâche. A l’échelle microscopique, au niveau des neurones concernés, il est possible de mesurer les variations chimiques mais aussi électriques qui ont lieu localement. Mais cette augmentation d’activité entraîne également une augmentation des demandes métaboliques des neurones, et par ricochet une augmentation du flux sanguin dans les zones cérébrales concernées, notamment afin d’apporter la quantité d’oxygène nécessaire. C’est ce qu’on appelle le couplage neurovasculaire : une augmentation de l’activité neuronale se traduit donc par des modifications observables à l’échelle vasculaire. Plusieurs paramètres sont modifiés et peuvent être mesurés au niveau vasculaire lors de l’activation neuronale : le taux d’oxygénation du sang, le volume, le débit sanguin… ces paramètres peuvent être regroupés sous le terme de « réponse hémodynamique ». La réponse hémodynamique (de l’ordre de la seconde) est bien plus lente que la réponse neuronale (de l’ordre de la milliseconde), à cause de la dynamique de dilatation des vaisseaux sanguins. Cependant elle est bien localisée et permet donc de mettre en évidence les zones cérébrales activées. Aujourd’hui, un très grand nombre de techniques d’imagerie cérébrale reposent sur ces signaux hémodynamiques résultant du couplage neurovasculaire.
Quelques techniques d’imagerie cérébrale utilisées chez le petit animal
Parmi les techniques se basant sur l’observation de modifications hémodynamiques, on peut citer notamment de nombreuses méthodes optiques : spectroscopie proche infrarouge (Near Infrared Spectroscopic Imaging, NIRS), signal optique intrinsèque (Intrinsic Optical Signal, IOS), laser Doppler ou encore l’imagerie bi-photonique (également appelée imagerie 2-photon). L’inconvénient majeur de ces méthodes est la faible profondeur de pénétration de la lumière dans les tissus et donc un champ de vue souvent limité au cortex superficiel. Souvent un amincissement du crâne ou une craniotomie est nécessaire, ce qui rend la plupart de ces méthodes invasives (et non applicable en clinique). Cependant, ces méthodes optiques ont en commun une très bonne résolution temporelle (de l’ordre de la ms), une bonne sensibilité, et une bonne résolution spatiale, allant du micromètre pour le 2- photon et l’IOS au millimètre pour le laser Doppler (seul le NIRS présente une résolution spatiale moindre : du millimètre au centimètre). De plus, dans le cadre de l’expérimentation sur le petit animal la miniaturisation des systèmes optiques favorise l’expansion de systèmes permettant des acquisitions sur animaux éveillés et mobiles à l’aide d’endoscopes implantés (ou sur des animaux éveillés avec têtefixée).
D’autres méthodes permettent des mesures directes de l’activité électrique neuronale. Parmi les techniques d’électrophysiologie on peut citer l’électroencéphalographie (EEG, mesurant une différence de potentiel électrique entre deux points dans le cerveau), et la magnétoencéphalographie (MEG, détectant des variations de champs magnétiques induits par les courants créés lors de l’activation des neurones). Cette dernière technique est très peu utilisée chez le petit animal car sa résolution spatiale n’est pas suffisante. L’EEG, au contraire, est largement utilisée chez le petit animal et présente l’avantage de pouvoir être utilisée sur des animaux éveillés et en mouvement. En utilisant un grand nombre d’électrodes une cartographie relativement précise de l’activité électrique du cerveau peut être obtenue, et ce avec une très bonne résolution temporelle. Cependant, l’EEG n’est pas une technique d’imagerie à proprement parlé puisqu’aucune image n’est obtenue. Souvent, il peut donc être intéressant de coupler cette technique d’électrophysiologie à une autre technique d’imagerie cérébrale afin de combiner les différentes sources d’information.
Bien que de nombreuses techniques d’imagerie cérébrale existent, le système d’imagerie cérébrale de référence depuis les années 1990 reste actuellement l’imagerie par résonance magnétique (IRM).
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Table des matières
I. Introduction
I.1. Le cerveau en bref
I.2. Imagerie cérébrale chez le petit animal
I.2.1. Introduction à l’imagerie cérébrale et au couplage neurovasculaire
I.2.2. Quelques techniques d’imagerie cérébrale utilisées chez le petit animal
I.2.3. Imagerie par résonance magnétique (IRM)
I.2.4. Récapitulatif
I.3. Imagerie ultrasonore conventionnelle
I.3.1. Principe de l’imagerie ultrasonore conventionnelle focalisée
I.3.2. Imagerie Doppler focalisée
I.4. Imagerie ultrasonore ultrarapide
I.4.1. Principe de l’imagerie ultrasonore ultrarapide par émission d’ondes planes
I.4.2. Imagerie Doppler ultrarapide : application à l’imagerie fonctionnelle cérébrale du petit animal (fUS)
I.5. Objectifs de la thèse
I.5.1. Développer une nouvelle séquence d’imagerie ultrasonore ultrarapide permettant d’augmenter le rapport signal-à-bruit
I.5.2. Démontrer la possibilité d’utiliser l’échographie Doppler ultrarapide pour imager de façon transcrânienne et non invasive le cerveau de la souris et du raton
I.5.3. Transposer l’utilisation du fUS de l’animal anesthésié à l’animal éveillé et en mouvement
I.5.4. Démontrer la possibilité d’utiliser le fUS pour étudier la connectivité fonctionnelle chez un modèle de souris et dans différentes conditions d’éveil
Références du chapitre
II. Nouvelle séquence d’imagerie ultrasonore ultrarapide permettant d’augmenter le rapport signal-à-bruit sans diminuer la cadence d’imagerie : le Multiplane Wave
II.1. Introduction
II.2. Principe de base de la séquence Multiplane Wave
II.2.1. Principe du Multiplane Wave pour le cas simple de 2 ondes planes
II.2.2. Zone aveugle due à la durée d’émission
II.2.3. Principe du Multiplane Wave pour N ondes planes, avec N>2
II.3. Quantification des performances du Multiplane Wave par imagerie B-mode sur un fantôme d’imagerie
II.3.1. Configuration permettant une grande cadence d’imagerie : utilisation d’un petit nombre d’ondes planes (N variant de 2 à 8 ondes planes)
II.3.2. Configuration permettant une grande qualité d’imagerie à des cadences plus faible : utilisation d’un grand nombre d’ondes planes (N variant de 8 à 32 ondes planes)
II.4. Application du Multiplane Wave à des modalités d’imagerie nécessitant une grande cadence d’imagerie
II.4.1. Application à l’élastographie par onde de cisaillement sur un fantôme de sein
II.4.2. Application à l’imagerie Doppler ultrarapide in vivo sur un cerveau de rat anesthésié
II.5. Discussion et conclusion
Références du chapitre
III. Imagerie Doppler ultrarapide transcrânienne non invasive chez la souris et le raton
III.1. Introduction
III.2. Protocole expérimental
III.2.1. Préparation des animaux
III.2.2. Montage expérimental
III.2.3. Séquences d’acquisition ultrasonores
III.3. Imagerie vasculaire cérébrale transcrânienne complètement non invasive chez la souris
III.3.1. Tomographie et visualisation 3D du cerveau complet de la souris de manière non invasive
III.3.2. Imagerie vasculaire cérébrale transcrânienne de la souris au cours de son développement
III.4. Imagerie vasculaire cérébrale transcrânienne du raton au cours du développement
III.5. Discussion et conclusion
Références du chapitre
IV. Imagerie fonctionnelle ultrasonore ultrarapide (fUS) chez le petit animal éveillé et en mouvement
IV.1. Introduction : intérêt de développer de nouvelles techniques permettant d’imager le cerveau d’un animal éveillé et en mouvement
IV.1.1. Limites des techniques d’imagerie actuelles
IV.1.2. L’imagerie fUS chez le rat éveillé et en mouvement
IV.1.3. Passage du modèle « rat » au modèle « souris » : enjeux et difficultés
IV.2. Imagerie fonctionnelle transcrânienne du cerveau de la souris éveillée et libre de ses mouvements
IV.2.1. Présentation du protocole expérimental et du montage expérimental associé
IV.2.2. Amélioration de la séquence d’imagerie pour résoudre un problème d’artéfact lié aux mouvements de la mâchoire de la souris
IV.2.3. Imagerie fonctionnelle par stimulation des vibrisses de la souris
IV.3. Discussion et conclusion
Références du chapitre
V. Conclusion
