Une étude de validation de principe ouvre la voie à une nouvelle technique d’imagerie cérébrale grâce à un implant crânien transparent

Dans la première étude de ce type, des chercheurs de la Keck School of Medicine de l'USC et du California Institute of Technology (Caltech) ont conçu et implanté une fenêtre transparente dans le crâne d'un patient, puis ont utilisé l'imagerie par ultrasons fonctionnelle (fUSI) pour collecter des données élevées. -données d'imagerie cérébrale de résolution à travers la fenêtre.

Leurs conclusions préliminaires, publiées dans Médecine translationnelle scientifiquesuggèrent que cette approche sensible et non invasive pourrait ouvrir de nouvelles voies pour la surveillance des patients et la recherche clinique, ainsi que pour des études plus larges sur le fonctionnement du cerveau.

“C'est la première fois que quelqu'un applique l'imagerie échographique fonctionnelle par le biais d'un remplacement du crâne chez un être humain éveillé et comportemental effectuant une tâche”, a déclaré Charles Liu, MD, Ph.D., professeur de chirurgie neurologique clinique, d'urologie et de chirurgie à l'Université de Toronto. Keck School of Medicine et directeur du USC Neurorestoration Center.

“La capacité d'extraire ce type d'informations de manière non invasive à travers une fenêtre est assez importante, d'autant plus que de nombreux patients nécessitant une réparation du crâne ont ou développeront des déficiences neurologiques. De plus, des “fenêtres” peuvent être implantées chirurgicalement chez des patients dont le crâne est intact si les informations fonctionnelles peuvent aider au diagnostic et au traitement.

Le participant à la recherche, Jared Hager, 39 ans, a subi un traumatisme crânien (TCC) suite à un accident de skateboard en 2019. Lors d'une intervention chirurgicale d'urgence, la moitié du crâne de Hager a été retirée pour soulager la pression sur son cerveau, laissant une partie de son cerveau couverte. uniquement avec la peau et le tissu conjonctif. À cause de la pandémie, il a dû attendre plus de deux ans pour que son crâne soit restauré avec une prothèse.

Pendant ce temps, Hager s'est porté volontaire pour des recherches antérieures menées par Liu, Jonathan Russin, MD, directeur chirurgical associé du USC Neurorestoration Center, et une autre équipe de Caltech sur un nouveau type d'imagerie cérébrale appelé fPACT.

La technique expérimentale avait été réalisée sur des tissus mous, mais n'a pu être testée que sur le cerveau de patients comme Hager à qui il manquait une partie du crâne. Lorsque le moment est venu d'implanter la prothèse, Hager s'est de nouveau porté volontaire pour faire équipe avec Liu et ses collègues, qui ont conçu un implant crânien personnalisé pour étudier l'utilité de la fUSI (qui ne peut pas être réalisée à travers le crâne ou un implant traditionnel) tout en réparant la blessure de Hager. .

Avant la chirurgie reconstructive, l’équipe de recherche a testé et optimisé les paramètres fUSI pour l’imagerie cérébrale, en utilisant à la fois un fantôme (un dispositif scientifique conçu pour tester les équipements d’imagerie médicale) et des modèles animaux. Ils ont ensuite collecté des données fUSI auprès de Hager pendant qu'il effectuait plusieurs tâches, à la fois avant son opération et après l'installation de l'implant transparent, constatant que la fenêtre offrait un moyen efficace de mesurer l'activité cérébrale.

L’imagerie cérébrale fonctionnelle, qui collecte des données sur l’activité cérébrale en mesurant les modifications du flux sanguin ou des impulsions électriques, peut offrir des informations clés sur le fonctionnement du cerveau, tant chez les personnes en bonne santé que chez celles souffrant de troubles neurologiques.

Mais les méthodes actuelles, telles que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’électroencéphalographie intracrânienne (EEG), laissent de nombreuses questions sans réponse. Les défis incluent une faible résolution, un manque de portabilité ou la nécessité d’une chirurgie cérébrale invasive. fUSI pourrait éventuellement offrir une alternative sensible et précise.

“Si nous pouvons extraire des informations fonctionnelles grâce à l'implant crânien d'un patient, cela pourrait nous permettre de fournir un traitement de manière plus sûre et plus proactive”, y compris aux patients atteints de traumatisme crânien qui souffrent d'épilepsie, de démence ou de problèmes psychiatriques, a déclaré Liu.

Une nouvelle frontière pour l’imagerie cérébrale

En tant que fondement de la présente étude, Liu a collaboré pendant des années avec Mikhail Shapiro, Ph.D. et Richard Andersen, Ph.D., de Caltech, pour développer des séquences ultrasonores spécialisées capables de mesurer la fonction cérébrale, ainsi que pour optimiser la technologie d'interface cerveau-ordinateur, qui transcrit les signaux du cerveau pour faire fonctionner un appareil externe.

Une fois ces pièces en place, Liu et ses collègues ont testé plusieurs implants crâniens transparents sur des rats, constatant qu'une fine fenêtre en polyméthacrylate de méthyle (PMMA), qui ressemble au plexiglas, donnait les résultats d'imagerie les plus clairs. Ils ont ensuite collaboré avec une société de neurotechnologie, Longeviti Neuro Solutions, pour construire un implant personnalisé pour Hager.

Avant l'opération, les chercheurs ont collecté des données fUSI pendant que Hager effectuait deux activités : résoudre un casse-tête « relier les points » sur un écran d'ordinateur et jouer des mélodies sur sa guitare. Une fois l’implant installé, ils ont collecté des données sur les mêmes tâches, puis comparé les résultats pour déterminer si fUSI pouvait fournir des données d’imagerie précises et utiles.

“La fidélité a bien sûr diminué, mais plus important encore, nos recherches ont montré qu'elle est encore suffisamment élevée pour être utile”, a déclaré Liu. “Et contrairement à d'autres plates-formes d'interface cerveau-ordinateur, qui nécessitent l'implantation d'électrodes dans le cerveau, cela présente beaucoup moins d'obstacles à l'adoption.”

La fUSI peut offrir une résolution plus fine que l’IRMf et contrairement à l’EEG intracrânien, elle ne nécessite pas l’implantation d’électrodes à l’intérieur du cerveau. Elle est également moins coûteuse que ces méthodes et pourrait offrir certains avantages cliniques aux patients par rapport aux implants crâniens non transparents, a déclaré Russin, qui est également professeur agrégé de chirurgie neurologique à la Keck School of Medicine et directeur de la chirurgie cérébrovasculaire à l'hôpital Keck de USC.

“L'un des gros problèmes lorsque nous pratiquons ces interventions chirurgicales est qu'un caillot de sang peut se former sous l'implant, mais le fait d'avoir une fenêtre transparente nous permet de le surveiller facilement”, a-t-il déclaré.

Perfectionnement de la technologie des ultrasons fonctionnels

En plus d'un meilleur suivi des patients, la nouvelle technique pourrait offrir des informations à l'échelle de la population sur les traumatismes crâniens et d'autres affections neurologiques. Cela pourrait également permettre aux scientifiques de collecter des données sur le cerveau sain et d’en apprendre davantage sur la manière dont il contrôle les fonctions cognitives, sensorielles, motrices et autonomes.

“Nos résultats montrent que nous pouvons extraire des informations fonctionnelles utiles avec cette méthode”, a déclaré Liu. « La prochaine étape est la suivante : quelles informations fonctionnelles spécifiques souhaitons-nous et à quoi pouvons-nous les utiliser ? »

Jusqu'à ce que les nouvelles technologies soient soumises à des essais cliniques, le fUSI et l'implant transparent sont expérimentaux. En attendant, l’équipe de recherche travaille à améliorer ses protocoles fUSI afin d’améliorer encore la résolution des images. Les recherches futures devraient également s'appuyer sur cette première étude de validation de principe en testant davantage de participants afin de mieux établir le lien entre les données fUSI et des fonctions cérébrales spécifiques, ont déclaré les chercheurs.

“Jared est un gars extraordinaire”, a déclaré Liu, qui continue de collaborer avec le participant à l'étude pour perfectionner de nouvelles technologies, notamment la spectroscopie laser, qui mesure le flux sanguin dans le cerveau. “Ses contributions nous ont vraiment aidés à explorer de nouvelles frontières qui, nous l'espérons, pourront éventuellement aider de nombreux autres patients.”