Le cerveau ne représente que 2 % de la masse corporelle mais consomme près de 20 % de l'énergie disponible, chez une personne au repos. Il est doté d'une faible capacité de stockage de l'énergie et, de ce fait, il est fortement dépendant de l'apport du flux sanguin en oxygène et nutriments. Ce flux est régulé très finement de manière à coller au plus près des besoins des neurones. Ainsi, quand ceux-ci sont activés, le flux sanguin augmente de près de 5 % avec quelques secondes de retard. Ce « couplage neuro-vasculaire » permet à l'IRM fonctionnelle (IRMf) de « voir le cerveau penser ».
L'IRMf la plus utilisée repose sur le signal BOLD (Blood-Oxygen-Level Dependent), qui en première approximation reflète la variation du taux d'oxygène dans le sang. Celui-ci permet de remonter à l'activité neuronale via « la fonction de réponse hémodynamique », considérée comme linéaire et invariante au cours du temps. En neuroscience, les expériences d'IRMf utilisent le plus souvent des modèles décrivant le signal BOLD attendu pour une tâche donnée, en excluant l'état de repos.
En réalité, le couplage neuro-vasculaire varie d'un individu à l'autre et d'une région cérébrale à l'autre et peut être modifié pour un état de santé dégradé.
Des chercheurs de Joliot proposent une méthode rapide de déconvolution du signal BOLD qui permet de « démêler » le couplage hémodynamique, l'activité neuronale et les régions cérébrales impliquées, y compris pour des données IRMf acquises sur un cerveau au repos.
À l'échelle d'un individu, ils identifient les principaux réseaux fonctionnels cérébraux de repos et leur dynamique neurale. À l'échelle de 48 individus de la cohorte UK Biobank, ils définissent un indice de variabilité hémodynamique inter-hémisphérique leur permettant de repérer les patients ayant subi un accident vasculaire cérébral. De plus, en s'appuyant sur deux groupes d'âges différents (64-70 ans et 40-44 ans) de 459 individus au total, ils montrent qu'un délai hémodynamique allongé est un bon marqueur du vieillissement cérébral (avec une précision de 75 %).
Leur méthode s'applique également à la neuropharmacologie. Dans une étude en cours sur un opiacé prescrit dans la prise en charge de la douleur (buprénorphine), les chercheurs mettent en évidence un ralentissement hémodynamique significatif dans les régions cérébrales riches en récepteurs aux opioïdes mu (µ) telles que le cortex cingulaire, l'insula, le striatum et le thalamus. Une piste pour mieux comprendre la variabilité des effets des opiacés d'un individu à l'autre.
Ces travaux ont été menés en collaboration entre deux équipes du CEA-Joliot (NeuroSpin et le Service hospitalier Frédéric Joliot) et l'Université d'Édimbourg (Écosse).
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