Application de l’imagerie par ultrasons fonctionnelle dans l’étude de la moelle épinière humaine

Introduction

La moelle épinière est un centre crucial d’intégration sensorielle et motrice dans le système nerveux, responsable de la surveillance de la cinématique et de la posture de toutes les parties du corps. L’interruption du flux d’informations dans la moelle épinière due à des traumatismes ou des maladies peut entraîner une série de conséquences indésirables, telles que l’augmentation des activités réflexes, la douleur chronique, la perte partielle ou totale de la fonction motrice ou sensorielle, les troubles de la défécation/miction, etc. Malgré l’importance de la moelle épinière dans les fonctions sensorielles, motrices et autonomes, la recherche sur sa structure fonctionnelle reste limitée. Actuellement, les techniques d’imagerie cérébrale fonctionnelle (telles que l’IRMf et l’électrocorticographie stéréo-électrode) sont largement utilisées dans les recherches en neurosciences, mais leur application dans les études sur la moelle épinière est limitée. Depuis la fin des années 1990, lorsque l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a été introduite dans le domaine de la recherche sur la moelle épinière, bien que certaines études aient révélé l’organisation fonctionnelle de la moelle épinière, les défis liés aux techniques d’imagerie (comme la petite surface transversale de la moelle épinière, l’hétérogénéité du champ magnétique et les artéfacts de mouvement) en limitent le progrès.

L’imagerie par ultrasons fonctionnelle (Functional Ultrasound Imaging, FUSI) est une technologie d’imagerie émergente qui présente les avantages d’une large couverture, d’une haute résolution spatio-temporelle et d’une grande sensibilité. Initialement validée dans l’imagerie du volume sanguin cérébral des souris, elle a progressivement été étendue à l’imagerie cérébrale des rongeurs en libre mouvement, des primates non humains éveillés et actifs, ainsi que des adultes et des patients pédiatriques. Des études récentes ont montré que l’imagerie par ultrasons fonctionnelle peut détecter les réponses hémodynamiques de la moelle épinière induites par la stimulation électrique, mais son efficacité n’a pas encore été vérifiée chez l’homme.

Source de l’article

L’article est intitulé « Application de l’imagerie par ultrasons fonctionnelle dans la moelle épinière humaine » (Functional Ultrasound Imaging of the Human Spinal Cord), avec pour auteurs K.A. Agyeman et al., provenant de l’Université de Californie à Riverside et du Centre médical de l’Université de Californie du Sud, entre autres établissements. L’article a été publié le 15 mai 2024 dans la revue « Neuron », DOI: 10.1016/j.neuron.2024.02.012.

Processus et méthodes de recherche

Processus de recherche

La recherche a été menée sur 6 patients souffrant de douleurs dorsales chroniques, ayant subi une intervention chirurgicale standard d’implantation de dispositif de stimulation de la moelle épinière pour collecter des données d’imagerie par ultrasons fonctionnelle. Le processus de recherche comprend les étapes suivantes :

1. Sélection des patients et préparation chirurgicale : Sélection de patients souffrant de douleurs dorsales chroniques et réalisation d’une laminectomie partielle de T10 pour l’implantation d’électrodes de stimulation de la moelle épinière.
2. Installation de la sonde d’imagerie par ultrasons fonctionnelle : Insérer une sonde linéaire de 15 MHz dans la zone chirurgicale pour obtenir des images d’imagerie par ultrasons fonctionnelle en vue transverse.
3. Expérience de stimulation électrique : Collecter des données hémodynamiques de la moelle épinière en état de stimulation et de non-stimulation, avec des paramètres de stimulation incluant une fréquence de 40 Hz, une largeur d’impulsion de 250 ms, et des intensités de courant de 3.0 mA et 4.5 mA.
4. Collecte et traitement des données : Collecter en continu des images ultrasonores, puis corriger les artéfacts de mouvement et appliquer un filtrage basse fréquence lors du prétraitement.

Analyse des données et méthodes

1. Analyse des changements hémodynamiques : Utiliser la cartographie des paramètres statistiques (SPM) et la moyenne événementielle (ERA) pour calculer les changements locaux de volume sanguin dans la moelle épinière induits par la stimulation, et générer des cartes de changements hémodynamiques.
2. Décodage des essais uniques : Utiliser des algorithmes d’apprentissage automatique (tels que l’analyse en composantes principales et l’analyse discriminante linéaire) pour réduire la dimension et classifier les données d’essais uniques, évaluant ainsi l’efficacité du protocole de stimulation.
3. Analyse de la résolution spatiale et du débit sanguin : Réduire la résolution d’image à 200 micromètres et 400 micromètres pour évaluer la précision du décodage à différentes résolutions ; classer les signaux de débit sanguin par taille pour analyser l’impact de différentes tailles de vaisseaux sur la précision du décodage.

Résultats de la recherche

Réponse hémodynamique

L’étude a révélé que les changements hémodynamiques de la moelle épinière induits par la stimulation électrique présentent des caractéristiques spatio-temporelles distinctes, se manifestant principalement par une augmentation ou une diminution locale du débit sanguin. L’analyse statistique a montré des changements significatifs du volume sanguin local de la moelle épinière durant la période de stimulation, avec un retour progressif au niveau de base après la fin de celle-ci.

Analyse du décodage

Grâce à des algorithmes d’apprentissage automatique, la recherche a réussi à décoder l’état de la moelle épinière lors d’essais uniques avec une précision supérieure à 90%. En particulier, les changements du débit sanguin dans différentes régions montrent des pics de réponse et des temps de récupération variés, révélant des réponses hémodynamiques complexes au sein de la moelle épinière.

Analyse de la résolution spatiale

L’étude a montré que la haute résolution spatiale (100 micromètres) est plus efficace que la basse résolution spatiale (200 micromètres et 400 micromètres) pour détecter et décoder les changements du débit sanguin de la moelle épinière. Les signaux de débit sanguin les plus informatifs proviennent majoritairement des petits vaisseaux (vaisseaux moyens et petits).

Conclusion et signification

Conclusion de l’étude

Cette étude a réussi pour la première fois à utiliser l’imagerie par ultrasons fonctionnelle chez l’homme pour quantifier la réponse hémodynamique de la moelle épinière à la stimulation électrique. En décodant avec précision les essais uniques, elle a démontré le potentiel de l’imagerie par ultrasons fonctionnelle dans les systèmes de régulation nerveuse en boucle fermée en temps réel.

Valeur scientifique et applicative

Cette étude fournit une base expérimentale importante pour l’application de l’imagerie par ultrasons fonctionnelle dans la recherche sur la moelle épinière. En révélant les changements hémodynamiques de la moelle épinière causés par la stimulation électrique, la recherche offre une nouvelle perspective pour comprendre la fonction de la moelle épinière et l’efficacité de la régulation nerveuse clinique. De plus, l’imagerie par ultrasons fonctionnelle peut être utilisée pour optimiser les paramètres de stimulation de la moelle épinière, améliorant ainsi l’efficacité des thérapies de régulation nerveuse, avec de larges perspectives d’application.

Points forts de l’étude

• Première utilisation de l’imagerie par ultrasons fonctionnelle dans la moelle épinière humaine, quantifiant avec succès la réponse hémodynamique de la moelle épinière.
• Réalisation d’un décodage précis des essais uniques, fournissant un support technique pour le développement de systèmes de régulation nerveuse en boucle fermée en temps réel.
• Révélation de l’impact des différentes tailles de vaisseaux sur le décodage des signaux de débit sanguin, offrant de nouvelles idées pour l’optimisation des paramètres de stimulation de la moelle épinière.

Perspectives et défis

Bien que l’imagerie par ultrasons fonctionnelle ait montré un grand potentiel dans cette étude, elle fait encore face à certains défis pour son application clinique, tels que l’invasivité du processus d’imagerie et les problèmes de qualité d’image. À l’avenir, les techniques d’imagerie par ultrasons fonctionnelle non invasives (telles que l’imagerie à basse fréquence avec des agents de contraste à microbulles injectés par voie intraveineuse et des transducteurs à réseau phasé) devraient améliorer encore plus son champ d’application. En outre, développer des sondes ultrasonores plus minces pour s’adapter à l’espace limité des interventions chirurgicales cliniques améliorera également la qualité de l’image et la praticité de l’opération. L’application de la technologie d’imagerie par ultrasons fonctionnelle dans la moelle épinière humaine offre un nouvel outil pour la recherche fonctionnelle de la moelle épinière et sa régulation clinique. Avec l’optimisation continue des techniques et des méthodes de traitement de données, cette technologie est susceptible de jouer un rôle important dans la recherche en neurosciences et le traitement clinique par régulation nerveuse.