Première neuro-imagerie fonctionnelle par ultrasons chez le nouveau-né

COMMUNIQUÉ | 11 OCT. 2017 - 20H00 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

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Coupe coronale du réseau vasculaire cérébral, obtenue de façon non-invasive par imagerie Doppler ultrasonore ultrarapide chez un nouveau-né prématuré. Crédit photo : Inserm U979 « Physique des Ondes pour la Médecine », Institut Langevin Ondes et Images

Des physiciens de l’Unité Inserm 979 « Physique des Ondes pour la Médecine » à l’ESPCI Paris et des cliniciens chercheurs du service de réanimation néonatale de l’hôpital pédiatrique Robert-Debré, AP-HP et de l’Unité Inserm 1141 viennent de réaliser une première scientifique et médicale : imager de manière non invasive par échographie l’activité cérébrale du nouveau-né, ouvrant des perspectives inédites pour le diagnostic neurologique au lit du patient chez les bébés à terme et prématurés. Le détail de leurs travaux est publié dans la revue Science Translationnal Medicine datée du 11 octobre 2017.

La technique utilisée, appelée neuroimagerie fonctionnelle par ultrasons, a été inventée en 2009 à l’ESPCI Paris dans l’unité Inserm 979 « Physique des Ondes pour la Médecine » dirigée par Mickael Tanter, Directeur de recherche Inserm. Son originalité réside dans l’utilisation des ultrasons, une technologie portable et simple, contrairement aux autres modalités d’imagerie cérébrale. Les médecins utilisent généralement l’IRM (imagerie par résonance magnétique) ou la TEP (tomographie par émission de positrons) pour imager l’activité dans le cerveau. Malgré d’importants progrès techniques, ces méthodes sont contraignantes et coûteuses, avec de longs délais d’attente pour les patients.
Semblable en apparence aux échographes utilisés en obstétrique ou en échocardiographie, le prototype de recherche utilisé présente la particularité d’acquérir des images à très haute cadence. Grâce à cette cadence d’imagerie ultrarapide et des algorithmes de traitement de données de pointe, il est possible de cartographier avec une très grande sensibilité les variations subtiles de flux sanguins dans les petits vaisseaux cérébraux, variations liées à l’activité neuronale. La neuro-imagerie fonctionnelle par ultrasons combine une cadence ultrarapide avec une très bonne résolution spatiale et une grande profondeur d’imagerie. Jusqu’à présent, ces performances avaient été appliquées uniquement à des études précliniques, réalisées sur des modèles animaux.

Les travaux publiés aujourd’hui établissent ainsi la première preuve de concept non intrusive de l’imagerie neuro-fonctionnelle par ultrasons chez l’humain, réalisée au sein du service de néonatalogie et réanimation néonatale du Pr. Olivier Baud à l’hôpital Robert Debré, AP-HP, aujourd’hui dirigé par le Pr Valérie Biran. L’activité cérébrale de nouveau-nés prématurés a été enregistrée dans de larges régions du cerveau, au repos et lors de crises d’épilepsie, à 1000 images/sec et avec une résolution spatiale de 150 µm. Ces données inédites montrent une propagation des flux sanguins cérébraux entre et pendant les crises d’épilepsie, et permettent de localiser le foyer de ces crises. Grâce à un prototype d’échographe ultrarapide placé au chevet du nouveau-né, les acquisitions se font de manière totalement non-invasive, en plaçant une sonde échographique sur la tête du bébé, au-dessus de la fontanelle.

Pour Mickael Tanter et son collègue Charlie Demené, « cette première preuve de concept d’une neuroimagerie non invasive, permettant d’enregistrer l’activité neuronale sur une zone étendue du cerveau, marque l’entrée des ultrasons dans le monde des neurosciences cliniques avec une modalité très sensible, portable et utilisable directement au lit du patient».

Cette étude démontre le potentiel de l’imagerie fonctionnelle par ultrasons pour le suivi de nouveau-nés prématurés, qui sont des patients délicats à examiner chez qui le diagnostic de troubles neurologiques est difficile à établir. Cette technologie ne nécessite aucune manipulation lourde : pas de transport du patient, ni d’utilisation d’agents de contraste ou d’émission ionisante. Pour Olivier Baud, « la neuro-imagerie fonctionnelle par ultrasons pourrait offrir une véritable révolution en médecine en apportant de nouvelles connaissances sur la dynamique neuro-vasculaire, le développement cérébral, ou encore les mécanismes de neuro-protection du cerveau, mais aussi diagnostiquer de manière plus précoce des altérations de la connectivité fonctionnelle cérébrale».

L’étude s’inscrit dans le cadre du projet FUSIMAGINE financé par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) pour développer l’imagerie neuro-fonctionnelle ultrasonore (http://fultrasound.eu)

First clinical proof of concept for functional ultrasound imaging of brain activity in newborns

PRESS RELEASE | 11 OCT 2017 - 20H00 | BY INSERM PRESS OFFICE

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Coronal image of the brain vasculature of a premature neonate, obtained non-invasively using ultrafast Doppler ultrasound imaging. Photo credit: Inserm U979 “Wave Physics for Medicine”, Langevin Institute – Waves and Imaging.

Physicians from Inserm Unit 979 “Wave Physics for Medicine” at the ESPCI Paris together with clinician researchers from the neonatal intensive care unit of Robert-Debré AP-HP pediatric hospital and Inserm Unit 1141 have just made a scientific and medical breakthrough: the non-invasive imaging of brain activity in newborns using ultrasound. This will open up new avenues for bedside neurological diagnosis in full-term and premature babies. The details of their research have been published in the October 11, 2017 issue of Science Translational Medicine.
The technique used, called functional ultrasound imaging of brain activity, was invented in 2009 at the ESPCI Paris in Inserm Unit 979 “Wave Physics for Medicine”, led by Mickael Tanter, Inserm Research Director. Its originality lies in the use of ultrasound technology which, unlike other methods of brain imaging, is simple and portable. Physicians generally use magnetic resonance imaging (MRI) or positron-emission tomography (PET) to image brain activity. Although major technical progress has been made with these methods, they remain restrictive and costly, with long-waiting times for patients.

Similar in appearance to the ultrasound scanners used in obstetrics or echocardiography, the research prototype used has the particularity of being able to acquire images at very high speed. When combined with cutting-edge data processing algorithms, it is possible to map, with very high sensitivity, the subtle variations in blood flow in the small vessels of the brain, variations that are linked to neuronal activity. This new method combines ultrafast image acquisition with very high spatial resolution and a great depth of image. Until now, this had been applied only in pre-clinical studies, using animal models.

Therefore, the research published today establishes the first proof of concept of non-invasive functional ultrasound brain imaging in humans, performed in the neonatology and neonatal intensive care unit of Prof. Olivier Baud at Robert Debré Hospital, AP-HP, currently directed by Prof. Valérie Biran. The brain activity of premature neonates has been recorded in large regions of the brain, at rest and during seizures, at 1,000 images/sec and with a spatial resolution of 150 µm. These hitherto unheard-of data show propagation of cerebral blood flow between and during seizures, and make it possible to locate where they are coming from. Thanks to an ultrafast ultrasound prototype used at the patient’s bedside, images are acquired non-invasively by placing an ultrasound scanner on the baby’s head, above the fontanelle.

For Mickael Tanter and his colleague Charlie Demené, “this first proof of concept of a non-invasive form of neuroimaging that makes it possible to record neuronal activity across an extensive area of the brain, marks the entry of ultrasound into the world of clinical neurosciences with a method that is highly sensitive, portable and can be used directly at the patient’s bedside”.
This study demonstrates the potential of functional ultrasound imaging for the monitoring of premature neonates, who are tricky to examine and in whom it is difficult to diagnose neurological disorders. This technology is not heavy to handle and no patient transportation, contrast agents or ionizing emissions are needed. For Olivier Baud, “functional ultrasound brain imaging could represent a genuine revolution in the field of medicine by bringing new knowledge of neurovascular dynamics, brain development and neuroprotection mechanisms, as well as more early diagnosis of brain functional connectivity alterations”.

This study is part of the FUSIMAGINE project funded by the European Research Council (ERC) for the development of functional ultrasound brain imaging (http://fultrasound.eu)