Les dommages à la moelle épinière, qu'ils soient dus à une blessure ou à une maladie, peuvent avoir des effets dévastateurs sur la santé, notamment une perte des fonctions motrices ou sensorielles, ou des maux de dos chroniques, qui touchent environ 540 millions de personnes à tout moment. Une équipe de recherche basée aux États-Unis a désormais utilisé l'imagerie par ultrasons fonctionnelle (fUSI) pour visualiser la moelle épinière et cartographier sa réponse à la stimulation électrique en temps réel, une approche qui pourrait améliorer les traitements des maux de dos chroniques.
Bien qu’elle joue un rôle central dans les fonctions sensorielles, motrices et autonomes, on sait peu de choses sur l’architecture fonctionnelle de la moelle épinière humaine. Les techniques traditionnelles de neuroimagerie, telles que l'IRM fonctionnelle (IRMf), sont entravées par de forts artefacts de mouvement générés par les pulsations cardiaques et la respiration.
En revanche, fUSI est moins impacté par les artefacts de mouvement et peut imager la moelle épinière avec une résolution spatio-temporelle élevée (environ 100 µm et jusqu'à 100 ms) et une sensibilité élevée pour ralentir l'écoulement du sang pendant la chirurgie. Il fonctionne en émettant des ondes ultrasonores dans une zone d’intérêt et en détectant le signal renvoyé par les cellules sanguines circulant dans cette région (le signal Doppler de puissance). Un autre avantage est que le scanner fUSI est mobile, éliminant ainsi l'infrastructure étendue requise pour les systèmes IRMf.
« La moelle épinière abrite les circuits neuronaux qui contrôlent et modulent certaines des fonctions les plus importantes de la vie, telles que la respiration, la déglutition et la miction. Cependant, il a souvent été négligé dans l’étude de la fonction neuronale », explique le contact principal. Vasileios Christopoulos de l'Université de Californie Riverside. « L’imagerie échographique fonctionnelle surmonte les limites des technologies de neuroimagerie traditionnelles et peut surveiller l’activité de la moelle épinière avec une résolution spatio-temporelle et une sensibilité plus élevées que l’IRMf. »
Des recherches antérieures ont démontré que le fUSI peut mesurer l'activité cérébrale chez les animaux et les patients humains, notamment une étude montrant que les fluctuations à basse fréquence du signal Doppler de puissance sont fortement corrélées à l'activité neuronale. Plus récemment, des chercheurs ont utilisé fUSI pour imager les réponses de la moelle épinière à la stimulation électrique chez les animaux.
Dans ce dernier ouvrage, Christopoulos et ses collègues – également du Centre de neurorestauration USC à la Keck School of Medicine – a utilisé le fUSI pour caractériser l'activité hémodynamique (modifications du flux sanguin) dans la moelle épinière en réponse à la stimulation électrique péridurale de la moelle épinière (ESCS) – un outil de neuromodulation utilisé pour traiter les affections douloureuses qui ne répondent pas aux méthodes traditionnelles thérapies.
Dans une première étude chez l'homme, l'équipe a surveillé l'activité hémodynamique de six patients subissant l'implantation d'un dispositif thérapeutique ESCS pour traiter les maux de dos chroniques, rapportant les résultats de Neuron.
Utilisant un mécanisme similaire à l'IRMf, le fUSI s'appuie sur le phénomène de couplage neurovasculaire, dans lequel une activité neuronale accrue provoque des changements localisés dans le flux sanguin pour répondre aux demandes métaboliques des neurones actifs. L'équipe a utilisé un transducteur linéaire miniaturisé de 15 MHz pour réaliser une fUSI, en l'insérant chirurgicalement dans la moelle épinière au niveau de la dixième vertèbre thoracique (T10), les électrodes de stimulation étant placées pour couvrir les segments spinaux T8-9. Les images enregistrées avaient une résolution spatiale de 100 x 100 µm, une épaisseur de tranche d'environ 400 µm et un champ de vision de 12.8 x 10 mm.
Quatre patients ont reçu 10 cycles ON-OFF de stimulation à faible courant (3.0 mA), comprenant 30 s avec stimulation puis 30 s sans. La stimulation a provoqué des changements régionaux dans l’hémodynamique de la moelle épinière, certaines régions présentant des augmentations significatives du flux sanguin et d’autres des diminutions significatives. Une fois la stimulation arrêtée, le flux sanguin est revenu à son état initial.
Pour évaluer si fUSI peut détecter les changements hémodynamiques associés à différents protocoles de stimulation, les deux patients restants ont reçu cinq cycles ON-OFF de stimulation de 3.0 mA suivis de cinq cycles de stimulation de 4.5 mA, avec une pause de 3 minutes entre les deux. Les chercheurs ont constaté que l’augmentation de l’amplitude du courant de 3.0 à 4.5 mA ne modifiait pas la répartition spatiale des régions activées de la moelle épinière. Cependant, une stimulation à courant élevé induit des changements hémodynamiques plus importants au niveau de la moelle épinière.
Cette capacité du fUSI à différencier les réponses hémodynamiques évoquées par différents courants ESCS constitue une étape importante vers le développement d'un système de surveillance clinique par ultrasons pour optimiser les paramètres de stimulation. Christopoulos explique que les patients étant anesthésiés pendant une chirurgie de la moelle épinière, ils ne peuvent pas indiquer si le protocole de stimulation électrique appliqué réduit réellement la douleur. Le neurochirurgien ne peut donc pas évaluer avec précision les effets de la neuromodulation en temps réel.
Un réseau de microélectrodes pourrait permettre une chirurgie de la moelle épinière plus sûre
« Notre étude fournit une première preuve de concept selon laquelle la technologie fUSI peut être utilisée pour développer des systèmes cliniques de neuromodulation en boucle fermée, permettant aux neurochirurgiens d'ajuster les paramètres de stimulation (largeur d'impulsion, forme d'impulsion, fréquence, amplitude du courant, emplacement de stimulation, etc.) pendant l'opération », dit-il Monde de la physique.
À l’avenir, l’équipe espère établir le fUSI comme plate-forme pour étudier la fonction de la moelle épinière et développer des systèmes de neuromodulation clinique en boucle fermée en temps réel. « Nous avons récemment soumis pour publication une étude clinique démontrant que fUSI est capable de détecter des réseaux dans la moelle épinière humaine où l'activité est fortement corrélée à la pression de la vessie », explique Christopoulos. « Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour le développement de technologies d’interface machine moelle épinière afin de restaurer le contrôle de la vessie chez les patients souffrant d’incontinence urinaire, tels que ceux souffrant d’une lésion médullaire. »
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- La source: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
