T2 relaxometry for myelin water fraction: an ex vivo brain imaging study

Le cerveau humain est un paysage vaste et complexe composé de milliards de cellules, mais une grande partie de sa structure repose sur une substance grasse appelée myéline. Ce matériau agit comme une gaine protectrice autour des lignes de communication du cerveau, un peu comme le revêtement en plastique d'un fil électrique. Lorsque cette isolation est saine, les signaux circulent rapidement et efficacement ; lorsqu'elle est endommagée, comme c'est le cas dans des pathologies telles que la sclérose en plaques ou la maladie d'Alzheimer, la communication se rompt. Pendant des décennies, les scientifiques ont lutté pour voir cette myéline directement à l'intérieur d'une personne vivante. Bien que l'imagerie par résonance magnétique, ou IRM, puisse prendre des images du cerveau, les scanners standards estompent souvent les détails fins de ce revêtement graisseux. Des chercheurs ont développé une technique spéciale appelée imagerie de l'eau de la myéline qui tente de mesurer la minuscule quantité d'eau piégée entre les couches de la gaine de myéline. En comptant cette eau spécifique, ils peuvent estimer la quantité de myéline présente. Cependant, cette méthode est complexe et nécessite un équipement très spécifique, souvent difficile à obtenir. Pour s'assurer de l'exactitude de ces mesures, les scientifiques doivent les tester par rapport à l'« étalon de référence », qui consiste à observer directement le tissu cérébral après le décès d'une personne.

Une équipe de chercheurs de l'Université McGill et de l'Institut universitaire de santé mentale Douglas s'est donné pour mission de résoudre un problème pratique dans ce domaine. Ils voulaient savoir si une séquence d'IRM largement disponible, appelée écho de spin turbo, pouvait mesurer la myéline aussi bien qu'une séquence plus spécialisée et plus rapide, appelée écho de gradient et de spin, qui n'est pas toujours accessible à tous les centres de recherche. Pour ce faire, ils n'ont pas scanné de personnes vivantes. Au lieu de cela, ils ont travaillé avec quarante hémisphères cérébraux humains qui avaient été conservés dans une solution de formaldéhyde après la mort. Ces cerveaux provenaient d'individus présentant diverses pathologies neurologiques, ainsi que d'individus sans aucun trouble connu. Les chercheurs ont placé ces cerveaux préservés dans un puissant scanner IRM et ont effectué deux types de scans différents sur chacun d'eux. Un scan utilisait la méthode spécialisée d'écho de gradient et de spin, qui dure environ sept minutes et capture une longue série de signaux. L'autre utilisait la méthode plus courante d'écho de spin turbo, qui dure environ dix minutes et capture une série de signaux plus courte. L'objectif était de voir si le scan plus court et plus commun pouvait produire des résultats correspondant au scan spécialisé, et si le scan spécialisé avait réellement besoin d'être aussi long.

Les chercheurs ont d'abord vérifié s'ils pouvaient raccourcir le scan spécialisé sans perdre d'informations importantes. Ils ont pris l'intégralité des données du scan spécialisé, qui comprenait trente-deux mesures de signaux différentes, et ont recréé mathématiquement la carte en utilisant seulement les quatorze premières mesures. Ils ont constaté que les résultats étaient presque identiques. Les cartes de l'eau de la myéline étaient les mêmes, et les chiffres étaient presque indiscernables. Cela suggérait que pour le tissu cérébral préservé, le scan très long n'était pas strictement nécessaire ; une version plus courte pouvait fournir la même information fondamentale. C'est une découverte significative car elle signifie que les chercheurs pourraient potentiellement gagner du temps ou utiliser ce temps gagné pour améliorer d'autres parties du scan.

Ensuite, l'équipe a comparé les résultats du scan spécialisé aux résultats du scan courant d'écho de spin turbo. Ils ont constaté que les deux méthodes produisaient des cartes dont les motifs globaux étaient très similaires. Les zones présentant une forte teneur en myéline apparaissaient comme élevées dans les deux scans, et les zones à faible teneur en myéline apparaissaient comme basses dans les deux. Cependant, les chiffres n'étaient pas exactement les mêmes. Le scan spécialisé rapportait systématiquement des quantités plus élevées d'eau de myéline que le scan courant. En fait, le scan courant avait tendance à rapporter moins d'eau de myéline et plus d'eau située dans les espaces entre les cellules. Les chercheurs ont réalisé que les deux machines ne se contentaient pas de mesurer des choses différentes ; elles triaient le même signal en catégories légèrement différentes. La machine spécialisée était plus performante pour séparer la minuscule quantité d'eau piégée dans la myéline de l'eau qui l'entoure, tandis que la machine commune était un peu moins précise dans cette séparation.

Malgré ces différences dans les chiffres exacts, les deux méthodes étaient fortement liées. Les chercheurs ont découvert que s'ils connaissaient le résultat du scan courant, ils pouvaient utiliser un modèle informatique pour prédire avec une grande précision ce que le scan spécialisé aurait trouvé. Ils ont construit un modèle qui analysait le motif complet des signaux du scan courant, et non pas seulement le chiffre de la myéline, et utilisait cela pour estimer le résultat spécialisé. Ce modèle fonctionnait très bien, recréant avec succès les cartes détaillées du scan spécialisé à partir des seules données du scan courant. Cela signifie que même si les deux machines donnent des chiffres bruts différents, les informations qu'elles contiennent sont profondément liées. Un chercheur utilisant la machine commune pourrait tout de même obtenir une très bonne image de la santé de la myéline, à condition d'utiliser les bons outils mathématiques pour traduire les résultats.

L'étude a également examiné comment le temps passé par les cerveaux dans le liquide conservateur affectait les mesures. Ils ont découvert que plus le cerveau restait longtemps dans le liquide, plus les mesures changeaient. Les deux méthodes de scan montraient une augmentation de l'eau de myéline calculée à mesure que le temps de conservation augmentait. Cela ne signifie pas que le cerveau gagnait de la myéline ; c'est plutôt que les changements chimiques causés par le conservateur altéraient le comportement de l'eau, donnant l'impression qu'il y avait plus d'eau de myéline qu'en réalité. Le scan spécialisé était légèrement plus sensible à ce changement que le scan courant, mais les deux montraient la même tendance. Cela souligne que lors de l'étude de cerveaux préservés, le temps écoulé depuis le décès et le temps passé dans le conservateur sont des facteurs critiques qui doivent être pris en compte, car ils peuvent déplacer les chiffres d'une manière prévisible.

En fin de compte, ce travail offre une voie claire pour l'étude de l'isolation du cerveau après la mort. Il démontre que le scan spécialisé, difficile à obtenir, n'est pas le seul moyen d'obtenir un bon aperçu de la myéline. Le scan plus courant et plus largement disponible peut capturer les motifs essentiels et, avec l'aide de modèles informatiques modernes, peut être traduit pour correspondre aux résultats spécialisés. Les chercheurs ont conclu que, bien que les deux méthodes ne soient pas interchangeables sans ajustement, elles sont profondément connectées. Le scan courant détient la clé du scan spécialisé, permettant aux scientifiques d'utiliser des équipements plus accessibles pour étudier la structure du cerveau avec un niveau de détail que l'on pensait auparavant nécessiter des outils rares et coûteux. Cela ouvre la porte à davantage de laboratoires pour contribuer à notre compréhension des maladies cérébrales, en utilisant des données cohérentes et comparables d'une étude à l'autre.