Il est bien loin, le temps où le cerveau s'apparentait à une inaccessible boîte noire. Désormais, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) ou la tomographie par émission de positons (TEP) offrent à voir l'encéphale – sain ou malade – en trois dimensions et en activité. De quoi améliorer considérablement la précision des diagnostics et le suivi des traitements médicaux. Mais ces outils de visualisation cérébrale ont leurs limites : ils sont lents (plusieurs minutes pour obtenir une vue en 3D), dotés d'une faible résolution spatiale et d'un arsenal réduit de marqueurs biologiques. Comment pallier ces inconvénients ? En explorant, par exemple, les capacités de la microscopie biphotonique dans le proche infrarouge. Celle-ci permet d'obtenir une imagerie tridimensionnelle et à haute résolution (de l'ordre du micromètre cube) jusqu'à des profondeurs tissulaires encore jamais atteintes avec les autres techniques optiques. On peut ainsi « sonder » presque toute l'épaisseur du cortex cérébral de la souris ou du rat, modèles animaux « phares » pour l'étude des pathologies du cerveau humain.

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© D'après C. Ricard/INSERM, A. Duchon/CNRS Photothèque

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C'est l'un des enjeux du programme interdisciplinaire intitulé « Imagerie du petit animal ». Depuis trois ans, grâce à l'acquisition commune d'un microscope biphotonique, des biologistes de l'Inserm ¹ et des physiciens du Laboratoire de spectrométrie physique (LSP) de Grenoble ² travaillent de concert à optimiser cette approche. Comme le rappelle la physicienne Pascale Vérant, « il y avait au départ une volonté de l'Inserm d'étudier la microvascularisation cérébrale chez le petit animal in vivo, par microscopie biphotonique. Et plus particulièrement au niveau de tumeurs implantées expérimentalement afin d'analyser leur croissance et de développer des traitements ».

Justement, la demande du domaine médical est pressante : comment, notamment, mieux soigner les graves cancers du cortex (gliomes et glioblastomes) ? Et ce, sans léser les tissus sains adjacents à la tumeur. Alors que la radiothérapie classique consiste à fractionner temporellement l'irradiation (50 grays ³ sur 5 semaines), l'une des pistes développées par l'Inserm prend le parti inverse. Son nom : l'irradiation par microfaisceaux ⁴. Son principe : déposer une forte et unique dose de rayons X fractionnée spatialement afin de ne pas altérer les cellules saines ; située à l'intersection de deux ou trois « lignes » de microfaisceaux, la tumeur reçoit, elle, une dose létale. Son lieu d'application : le synchrotron de Grenoble. « Comme le rayonnement synchrotron est à la fois très puissant et très peu divergent, cela permet d'irradier très rapidement (quelques secondes) et selon un schéma de microfaisceaux très précis la zone tumorale », explique Pascale Vérant.

Encore faut-il contrôler ses éventuels effets sur le tissu sain. On le sait, la radiothérapie classique expose le sujet au risque de formation d'un œdème cérébral et d'une hypertension intracrânienne. En cause : une lésion de la barrière hémato-encéphalique, là où les échanges entre le sang et le tissu cérébral sont activement régulés.

« Pour vérifier l'état de cette barrière après l'irradiation, nous injectons deux colorants fluorescents de taille différente en intraveineuse, reprend la physicienne. Puis la tête de l'animal est placée sous le microscope et l'on procède à un balayage du laser : le colorant doit absorber simultanément deux photons pour être excité et émettre alors de la lumière fluorescente visible. Il réagira donc seulement au niveau de la zone du laser où la densité des photons est la plus élevée. Comme cette zone est très fine, on obtient une position très précise du colorant. » Et par balayage, on obtient une image en 3D de la microvascularisation jusqu'à 600 micromètres de profondeur – soit 70 % du cortex de la souris. La « manip » est reproduite à différents temps après l'irradiation. Bonne nouvelle : jusqu'à 30 jours, une dose de 312 grays n'entraîne aucun changement de perméabilité de la barrière hémato-encéphalique. Le colorant, quelle que soit sa taille, ne la traverse pas. Signe qu'il n'y a pas d'altération importante de la vascularisation du tissu sain. Les fortes doses, en revanche, altèrent cette perméabilité.

Il s'agit maintenant d'étudier cette microvascularisation cérébrale au niveau des tumeurs, mais aussi des maladies neurodégénératives comme Alzheimer. Cette nouvelle technique d'imagerie devrait également ouvrir d'autres champs d'exploration du tissu cérébral… dont la complexité ne cesse de poser de nouveaux défis.

Patricia Chairopoulos