L'imagerie cérébrale utilisée pour étudier la moelle épinière

«Avez-vous déjà vu les dessins de Galilée représentant la Lune? », demandé-je à Nawal Kinany, une ancienne chercheuse de l’EPFL qui travaille désormais dans le domaine de la coopération scientifique internationale. Comme elle ne les a jamais vus, je les affiche sur mon ordinateur portable. En 1610, à l’aide d’un télescope dont l’image était floue, Galilée a mis à profit ses talents de dessinateur pour déduire l’existence de cratères et de montagnes là où d’autres ne voyaient que des taches.

Nawal Kinany a passé huit ans à s’attaquer à un autre type de flou: le signal faible et bruité que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) capte au niveau de la moelle épinière humaine. L’image qu’elle a contribué à rendre plus nette guide désormais les traitements de la paralysie, et pourrait bientôt en faire de même pour les AVC et la maladie de Parkinson.

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, une technologie d’imagerie cérébrale, enregistre l’activité neuronale sans voir réellement les neurones se déclencher. Elle guette l’afflux de sang riche en oxygène qui les suit, avec quelques secondes de retard, à raison d’un instantané toutes les deux ou trois secondes. Assemblés, ces instantanés montrent non seulement où l’activité se produit, mais aussi comment elle évolue. Demandez à une femme allongée dans un scanner de tapoter des doigts, et une zone de son cerveau s’illumine; lorsqu’elle s’arrête, celle-ci s’éteint. Ce même tapotement met également en lumière sa moelle épinière, juste en dessous du cou, bien que ce signal soit bien plus difficile à capter.

Le signal brut est chaotique. Le patient n’est jamais parfaitement immobile; chaque battement de cœur et chaque respiration se répercute dans les données. Dans la moelle épinière, une structure d’à peine un centimètre de diamètre, le bruit peut noyer complètement le signal. Dimitri Van De Ville, qui dirige le Laboratoire de traitement d’images médicales de l’EPFL, où Nawal Kinany a mené ses recherches, a consacré sa carrière aux mathématiques permettant d’extraire l’activité de ce bruit.

La convergence de deux éléments

Nawal Kinany, elle-même vulgarisatrice scientifique, voit d’emblée le parallèle avec la science du XVIIe siècle. Galilée travaillait en deux étapes, tout comme l’IRMf. D’abord vient l’interpolation: combler ce que l’instrument a manqué, tout comme Galilée transformait une vue floue et auréolée en dessins évocateurs et nuancés. Vient ensuite l’interprétation: déterminer ce que signifie l’image. Alors que l’opinion dominante considérait la Lune comme une sphère parfaite et lisse, Galilée y voyait des montagnes.

Les neurosciences sortent de leur phase de «télescope flou» grâce à l’arrivée simultanée de deux éléments. Les scientifiques ont commencé à soupçonner que la moelle épinière ne se contentait pas de transmettre des messages, et les outils permettant de l’observer sont enfin devenus suffisamment performants. Ces deux éléments se sont mutuellement stimulés: une meilleure interpolation a permis de mettre la moelle épinière en évidence, et ce qui est ainsi apparu a exigé une meilleure interprétation. «D’une part, les neurosciences prennent conscience que la moelle épinière joue un rôle plus précis, au-delà des mécanismes moteurs que nous connaissions déjà, détaille Dimitri Van De Ville. D’autre part, il y a les progrès en imagerie et en traitement des données. C’est vraiment la convergence de ces deux éléments.»

La moelle épinière: le chaînon manquant

En 2016, Nawal Kinany menait ses recherches doctorales à la fois dans deux laboratoires de l’EPFL au Campus Biotech de Genève: celui de Dimitri Van De Ville et le Laboratoire d’ingénierie neuronale translationnelle de Silvestro Micera. L’objectif était de personnaliser la rééducation des personnes paralysées à la suite d’un AVC, à l’aide d’exosquelettes et d’autres dispositifs d’assistance. Son équipe enregistrait l’activité cérébrale des patientes et patients, leurs muscles et leurs mouvements, et il semblait manquer quelque chose entre ces différents éléments. «Nous avons réalisé qu’il y avait en quelque sorte un chaînon manquant entre tout cela, à savoir la moelle épinière», raconte-t-elle. Elle s’est alors lancée dans le long processus visant à l’imager.

«Les gens n’étaient pas vraiment convaincus, se souvient Nawal Kinany. Ils n’arrêtaient pas de dire: “La moelle épinière est un tube. Pourquoi voulez-vous l’observer?”» Aujourd’hui, un nombre croissant de preuves suggère que la moelle épinière ne se contente pas de transmettre des messages entre le cerveau et le corps: elle réalise elle-même une partie du traitement.

Une récente étude du laboratoire de Dimitri Van De Ville, disponible sous forme de prépublication (c'est à dire n'ayant pas fait l'objet d'une évaluation par les pairs et n'ayant pas encore été accepté par une revue) met cette idée à l’épreuve du scanner. En collaboration avec l’équipe de Friedhelm Hummel, le doctorant Ekansh Sareen a utilisé la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) – une bobine placée contre le cuir chevelu qui envoie une brève impulsion magnétique dans le cortex moteur – tout en réalisant des images de la moelle épinière de 22 volontaires. C’est la première fois que l’on observe, chez l’être humain, les effets d’une impulsion cérébrale sur la moelle épinière. Les impulsions faibles n’activaient que la partie sensorielle de la moelle. Les plus fortes se propageaient à travers une zone intermédiaire jusqu’aux motoneurones qui provoquent un spasme de la main. «La moelle épinière n’est pas seulement une autoroute de l’information», résume Ekansh Sareen. Une voie ferrée de l’information serait peut-être une analogie plus pertinente: les trains vont et viennent du cerveau, mais certains aiguillages sont actionnés le long de la ligne, modifiant ainsi le flux de l’information. «Au-delà du cortex est en quelque sorte notre devise.»

Du laboratoire à la clinique

Rien de tout cela ne constitue un traitement en soi. Ce que l’imagerie offre, c’est un outil. Chaque moelle épinière est câblée de manière légèrement différente, explique Sergio Daniel Hernandez-Charpak, chef de projet en imagerie et computation à .NeuroRestore, le centre de recherche lausannois dirigé par le professeur Grégoire Courtine de l’EPFL et la neurochirurgienne du CHUV Jocelyne Bloch. Les nerfs innervant un muscle donné peuvent rejoindre la moelle épinière à un segment plus haut ou plus bas d’une personne à l’autre, et une personne de grande taille n’a pas nécessairement une moelle épinière lombaire longue. Pour un implant, cela a son importance. En 2022, .NeuroRestore a annoncé que trois personnes atteintes d’une paralysie complète avaient pu se tenir debout et remarcher grâce à un stimulateur placé sur la moelle épinière. L’équipe de .NeuroRestore met désormais cette méthode en œuvre au CHUV, l’hôpital universitaire de Lausanne, en prévision d’un essai clinique chez des patients victimes d’un AVC, qui, contrairement à de nombreux patients atteints de lésions médullaires, ne possèdent pas de plaques métalliques dans la colonne vertébrale susceptibles de perturber le scanner. Sergio Daniel Hernandez-Charpak ne cache pas les limites: l’IRMf spinale en est encore «à ses balbutiements».

Nawal Kinany et Dimitri Van De Ville figuraient parmi les auteurs de l’étude phare de 2022 : l’IRMf spinale, enregistrée pendant que les jambes des participants étaient tendues ou que leurs tendons étaient soumis à des vibrations, a montré quels segments correspondaient à quels muscles, et des modèles personnalisés élaborés à partir de ces cartes ont guidé le placement des électrodes. La chirurgie a confirmé ces prédictions. Dimitri Van De Ville entrevoit d’autres applications : détecter des changements dans la moelle épinière avant l’apparition des symptômes, suivre l’effet d’un médicament sur plusieurs mois, choisir les patientes et patients qui en bénéficieront. «Il faudra des outils sophistiqués pour sélectionner la bonne personne», dit-il.

Quatre cents ans après que Galilée a bouleversé le monde avec ses dessins de la Lune, nous disposons aujourd’hui de puissants télescopes et d’ordinateurs chargés du traitement du signal. Mais le progrès scientifique n’est pas linéaire; il avance par bonds et par à-coups. Faire progresser les neurosciences au-delà du cortex est l’un de ces petits bonds en avant. Et tout a commencé parce que quelqu’un a remarqué qu’il manquait une pièce au puzzle. Une pièce qui, si elle était trouvée, pourrait un jour aider quelqu’un à retrouver une partie de ce qu’il a perdu à la suite d’un accident, d’un AVC ou d’une maladie neurodégénérative.

Dans le café où nous sommes assis, je passe une heure à informer Nawal Kinany des différentes orientations qu’a prises la recherche sur l’imagerie de la moelle épinière depuis son départ. «J’ai consacré huit ans de ma vie à cela, dit-elle. C’est fantastique de voir que les choses continuent d’avancer.»

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