Association GRAL pour la maladie d'ALZHEIMER
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Communication du Docteur MENJOT DE CHAMPFLEUR au XXVIIIème Congrès du GRAL

04/05/2018

  • La notion de connectivité cérébrale fait référence aux différents profils de liens anatomiques (connectivité anatomique ou structurale), ou de dépendance statistique (connectivité fonctionnelle), ou d'interaction causale (connectivité effective), entre différentes unités du système nerveux central [4]. Les outils d’exploration de la connectivité́ structurale reposent sur l’observation de l’organisation des faisceaux de la substance blanche, avec deux grands types de techniques. D’une part des méthodes non destructrices représentées par l’imagerie du tenseur de diffusion et d’autre part des méthodes destructrices auxquelles appartiennent la dissection [9] et les méthodes radio-isotopiques. L'imagerie du tenseur de diffusion joue un rôle particulier dans l'exploration de la connectivité́ structurale chez l’homme, en tant que technique non invasive. Elle autorise une analyse de l’architecture de la substance blanche normale [10] ou pathologique [8]. Nous rappellerons dans un premier temps les principes physiques qui sous-tendent la réalisation d’une imagerie de diffusion anisotropique, puis, dans un second temps, nous évoquerons la possibilité, grâce à cette technique d’imagerie quantitative, de réaliser des études de groupes, en mentionnant toutefois, dans une troisième partie, les limites inhérentes à la technique.

Principe de l’imagerie du tenseur de diffusion

1) Diffusion anisotrope. La diffusion des molécules d’eau dans un tissu organisé comme l’encéphale est directionnelle; elle est dite anisotrope. En raison des fibres nerveuses qui la composent, la substance blanche est un milieu fortement anisotrope où la diffusion des molécules est facilitée le long des fibres de substance blanche alors qu’elle est réduite perpendiculairement à̀ celles-là̀. L’imagerie de diffusion permet une étude quantitative du mouvement tridimensionnel des molécules d’eau dans les tissus [2] et donne de façon indirecte des informations sur l’organisation des fibres blanches au sein des réseaux neuronaux.  En d’autres termes, l’imagerie en tenseur de diffusion permet une mesure du degré́ d’anisotropie des tissus et, selon l’hypothèse qu’il existe une relation entre direction du mouvement des molécules d’eau et organisation des fibres myélinisées, cette technique permet d’apprécier l’architecture de la substance blanche.

2) Paramètres calculés à partir du tenseur de diffusion. Le tenseur est un objet mathématique permettant de décrire les propriétés de diffusion au sein d’un voxel (plus petit élément du volume encéphalique). La diffusion est caractérisée par son amplitude et par la direction des mouvements de diffusion, estimée au moyen de trois paramètres mesurés, ou valeurs propres λ1, λ2 et λ3. Plusieurs indices peuvent être calcules à partir des valeurs λ1, λ2 et λ3 associées au tenseur et permettent de dresser des cartes paramétriques de l’encéphale. Parmi ces paramètres, le coefficient de diffusion apparent (CDA) est un indice isotropique. Le plus utilisé des indices d’anisotropie du milieu est l’anisotropie fractionnelle ou fraction d’anisotropie (FA), sans unité́. Il caractérise le manque d’uniformité́ des mouvements de diffusion dans les différentes directions de l’espace. Ainsi, dans un milieu désorganisé ou isotrope (tel le liquide cérébrospinal), l’anisotropie fractionnelle tend vers 0. Au contraire, un milieu fortement organisé, très anisotrope (comme le faisceau cortico-spinal), aura une anisotropie fractionnelle tendant vers 1. Il s’agit d’un indice très employé́ en pratique clinique : la substance blanche présente naturellement un certain degré́ d’anisotropie et en cas de processus lésionnel, la perte d’anisotropie du milieu se traduit par une chute de la FA.

Tractographie de fibre.

La tractographie exploite les propriétés d’anisotropie de la substance blanche pour reconstruire le trajet des faisceaux de fibres, permettant d’en réaliser une véritable dissection virtuelle, non invasive et in vivo. En effet, le paramètre λ1 indiquant pour un voxel donné la direction préférentielle des molécules d’eau, si l’on considère que cette direction préférentielle est celle du faisceau de fibre contenu dans le voxel, il est possible de reconstituer de proche en proche le trajet complet du faisceau de fibres. Les algorithmes de tractographie répondent à un certain nombre de règles, pour que la restitution des faisceaux soit le plus proche de la réalité́. L’opérateur impose à cet effet, à l’algorithme de tractographie, différents types de contraintes de seuil de fraction d’anisotropie et de seuil de tolérance de l’angulation des vecteurs principaux entre deux voxels contigus. La stratégie la plus répandue de tractographie consiste ensuite à̀ définir manuellement une ou plusieurs régions d'intérêt (ROI) sur le trajet du faisceau considèré, de façon à sélectionner la totalité́ de la structure à étudier et à s’affranchir des faisceaux avoisinants [6]. Enfin, le résultat de la tractographie est présenté́ sous la forme d’un objet tridimensionnel faisant figurer plusieurs fibres organisées en faisceau.

Etudes de groupes. Par sa nature quantitative, l’imagerie du tenseur de diffusion est une technique de choix dans la réalisation d’étude de groupes, et en particulier dans l’exploration des affections intéressant la substance blanche encéphalique. En contexte traumatique, le paramètre anisotropie fractionnelle apparaît être fortement corrélé au pronostic [5, 11]. Les données de la tractographie autorisent elles aussi des corrélations anatomo-fonctionnelles [7, 1]. L’exploration des affections dégénératives constitue naturellement un champ d’application de cette technique d’imagerie, en particulier la recherche d’altérations de la substance blanche en cas de déclin cognitif léger [3]. Enfin, quelques auteurs suggèrent des altérations du tenseur de diffusion en cas de déclin cognitif subjectif [12].

Ecueils méthodologiques.

Toutefois, il convient de noter que les valeurs d’anisotropie fractionnelle présentent une certaine variabilité en fonction des machines utilisées, et des paramètres d’acquisitions. Ceci rend malaisé, d’une part la réalisation d’études multicentriques et, d’autre part l’inférence à un individu des valeurs d’anisotropie fractionnelle obtenue sur des groupes de sujets. Les résultats de la tractographie paraissent, eux aussi, présenter une importante variabilité du fait de l’hétérogénéité des seuils appliqués. Pour limiter ces effets, de nouvelles techniques de tractographies dites probabilistes ont été développées.

Conclusion.

L’imagerie du tenseur de diffusion reflète de façon indirecte l’architecture de la substance blanche encéphalique et autorise la quantification des désorganisations de sa microstructure. Les cartes paramétriques qui en sont extraites permettent de réaliser des études de groupe. Ses applications sont nombreuses et particulièrement pertinentes dans le domaine des affections dégénératives du système nerveux central.

Références.

  1. Ayrignac X. et al (2012). Neurology; 78: 69–70. 2. Basser P.J. et al (2000). Magn Reson Med; 44: 625-2. 3. Chen T.-F. et al (2009). Human Brain Mapping; 30: 3826–36. 4. Friston, K.J. (1994). Human Brain Mapping; 2: 56–78. 5. Galanaud D. et al (2012 Anesthesiology; 117: 1300–10. 6. Herbet G. et al (2014). Neuropsychologia; 56C: 239–44. 7. Kinoshita M. et al (2014). Brain structure & function (in press). 8. Leclercq D. et al (2011). Neurosurg Clin N Am; 22: 253–68. 9. Maldonado et al (2013). J Anat; 223: 38–45. 10. Menjot N. et al (2013). European journal of radiology; 82: 151-7. 11. van der Eerden A.W. et al, (2014). Radiology ; 270: 506–16. 12. Selnes P. et al (2013). J. Alzheimers Dis; 33: 723–36.

 Session 2 MENJOT DE CHAMPFLEUR.pdf

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