La technologie quantique au service de l'imagerie cérébrale, pour faire optimiser la cartographie du cerveau
La compréhension du cerveau humain reste un défi technique et scientifique. L'usage d'une technique quantique pourrait nous aider à en savoir plus sur le cerveau, grâce à une méthode non invasive qui pourrait révolutionner la médecine. Le projet NEURONQ, financé par l'UE, a été conduit et coordonné à l'université Ben-Gourion du Néguev, en Israël, afin de développer la technique qui permettra à terme de cartographier l'activité cérébrale. Le professeur Ron Folman, coordinateur du projet, explique que son équipe n'est pas encore en mesure de fabriquer un prototype fonctionnel, mais que le consortium de laboratoires travaillant en Europe sur ce sujet devrait pouvoir en proposer un d'ici quelques années. Un nouvel appareil d'imagerie cérébrale Le but est de réaliser un appareil de neuro-imagerie sur des bases quantiques, capable d'enregistrer l'activité des neurones dans le cerveau. Sa sensibilité devra être suffisante pour enregistrer l'activité du cerveau à trois niveaux: dans le neurone, au niveau du neurone, et pour un réseau de neurones. Un tel système présenterait de nombreux avantages pour les médecins car il faciliterait la détection et le suivi de la progression de maladies neurologiques graves comme celle d'Alzheimer, et soutiendrait la recherche universitaire visant à mieux comprendre le cerveau humain. Deux types de capteurs sont envisagés. Le premier cartographierait le cerveau vivant depuis l'extérieur du crâne, tandis que le second cartographierait un réseau de neurones cultivé sur une surface très proche du capteur afin d'attendre une résolution spatiale très élevée. Le système exploite un défaut du diamant, le centre d'inoccupation de l'azote, qui permet de réaliser un appareil quantique ultra-sensible. Ce centre d'inoccupation est une impureté du réseau cristallin d'atomes de carbone qui constitue un diamant courant. L'appareil peut détecter des champs magnétiques et électriques externes au travers de ses états de spin, lisibles de manière optique par résonance électronique de spin. Toute activité neuronale ou transmission d'informations dans le cerveau engendre un champ magnétique. C'est ce champ que l'appareil pourra détecter et cartographier. «La principale difficulté est d'obtenir une sensibilité extrêmement élevée pendant une durée de mesure très courte et pour un très petit nombre de détections. L'impulsion neuronale durant seulement 1 milliseconde, nous devons la détecter dans cette fenêtre temporelle et réinitialiser le détecteur pour l'impulsion suivante», explique le Dr Armin Biess, titulaire d'une bourse Marie-Curie et chercheur principal du projet NEURONQ. Concernant le second type de capteurs envisagé, il ajoute: «Un neurone ne fait que quelques micromètres, la longueur de chaque détecteur doit donc être calculée pour qu'un ensemble de détecteurs puisse capter le signal d'un seul neurone à la fois. Ce n'est qu'alors que nous pourrons cartographier la totalité du réseau et chacune de ses parties.» Les avantages des nouvelles techniques Le développement de ces capteurs pourrait éviter de recourir aux techniques coûteuses de tomodensitométrie et d'IRM, avec un appareil simple, économique, basé sur des propriétés quantique et capable d'enregistrer l'activité du cerveau sans le perturber. «Nous espérons que ce nouvel appareil n'aura pas les mêmes inconvénients que les techniques d'imagerie actuelles», souligne le Dr Armin Biess. «Les machines d'IRM sont par exemple inutilisables sur un porteur de stimulateur cardiaque, à cause des champs magnétiques puissants qu'elles génèrent. De leur côté, les appareils de tomodensitométrie nécessitent des rayonnements assez puissants.» De plus, l'équipe pense que l'appareil pourra fonctionner à température ambiante et n'exigera pas de températures très basses (comme les aimants des machines IRM et des capteurs SQUID). Ceci rendrait facile et économique l'utilisation de l'appareil, un argument de poids pour une future commercialisation. Le projet NEURONQ s'achève en mai 2016, et son équipe étudie avec d'autres groupes européens comment passer à l'étape suivante et mettre au point les premiers modèles fonctionnels d'un nouvel appareil qui permettrait de mieux comprendre le cerveau humain.
Mots‑clés
NEURONQ, cerveau, tomodensitométrie, IRM, neuro-imagerie, technologies quantiques, neurones
