Fusion d’images : des outils au service des neurochirurgiens

PAR
Christine Leininger
NIVEAU DE LECTURE
Intermédiaire  
PUBLIÉ LE
01/06/2006
 
Opérer les lésions du cerveau est un des objectifs de la neurochirurgie. Une lésion est pour le neurochirurgien une cible qu'il s'agit d'atteindre et d'enlever, tout en préservant autant que possible les tissus fonctionnels. Or ces zones ne sont souvent pas repérables à l'œil nu. L'imagerie peut alors apporter une aide avant et pendant l'opération.
Le cerveau est un organe à part, puisque chaque zone correspond à une fonction : motricité, langage, vision, etc. Les structures cérébrales doivent être considérées sous un double aspect anatomique et fonctionnel.

Pour préparer son intervention, le neurochirurgien doit définir la zone cible, c'est-à-dire localiser l'emplacement de la lésion, mais aussi les zones à éviter, qui sont les zones fonctionnelles proches, ainsi que des zones de repère, permettant de se repérer dans les images et dans la réalité, et enfin une trajectoire d'accès, qui peut par exemple suivre des sillons corticaux.

Un travail d'équipe
Autrefois, le neurochirurgien se basait sur des informations génériques, telles que des atlas anatomiques du cerveau publiés sur papier, et sur sa propre expérience. Depuis quelques années, il peut disposer des données concernant le patient qu'il doit opérer, fournies par différents dispositifs d'imagerie. Les images pré-opératoires sont principalement obtenues par imagerie par résonance magnétique (IRM) pour les aspects anatomiques, et par tomographie d'émission de positons (TEP), par tomographie d'émission monophotonique (TEMP), par magnétoencéphalographie (MEG) ou par IRM fonctionnelle (IRMf) pour les aspects fonctionnels. Pour repérer dans ces images les informations utiles, l'informatique intervient. Plus précisément, le système développé par les chercheurs en informatique de l'équipe INSERM-INRIA VisAGeS à Rennes, et notamment Pierre Jannin, chercheur à l'INSERM, sert à mettre en correspondance les images obtenues, à en extraire les données utiles pour l'opération, et enfin, à les présenter au neurochirurgien de la façon la plus ergonomique possible.


Recalage d'images : une image multimodale est obtenue à partir des images provenant de différents dispositifs.
Images : équipe VisAGeS.
La méthodologie choisie pour développer ce système est itérative. Elle part des besoins des médecins afin de spécifier des outils, puis réalise des prototypes et les évalue techniquement et cliniquement en salle d'opération. Enfin, les résultats de cette évaluation font progresser les spécifications. L'efficacité de cette méthode tient au fait qu'elle est mise en œuvre par une équipe de recherche pluridisciplinaire, associant des neurochirurgiens et des informaticiens, qui ont appris ensemble à partager les mêmes préoccupations et le même langage. Les industriels de l'imagerie sont aussi impliqués au travers de thèses CIFRE (Conventions Industrielles de Formation par la Recherche). Les développements s'appuient ainsi sur les appareils existants, ce qui est réaliste par rapport aux contraintes économiques.

Planifier l'intervention
Pour repérer les différentes zones importantes pour l'opération, le neurochirurgien se base sur une vue tridimensionnelle du cerveau, obtenue à partir d'images pré-opératoires.



À partir de l'IRM et d'images TEMP, on dispose de deux volumes orientés différemment, et on souhaite les combiner en un seul. La mise en correspondance des images est effectuée par des techniques de recalage d'images. Le principe de base est de repérer un certain nombre de structures dans le premier volume, et les structures qui leur correspondent dans le second. Par exemple, on repère 3 points dans l'IRM et les points correspondants dans les images TEMP.


On cherche ensuite les transformations - combinaisons de translations et de rotations - qui permettent de passer des uns aux autres, en essayant d'obtenir la meilleure. D'un point de vue mathématique, il s'agit donc de définir une fonction de coût, et une méthode d'optimisation qui permet de converger vers la meilleure solution possible. Cette mise en correspondance peut aussi utiliser directement les niveaux de gris des images.

De la même manière, on recale les images IRMf et TEP, si elles sont disponibles. Ensuite, on extrait des différentes images les structures qui intéressent les chirurgiens. On parle de « segmentation » de structures dans les images. Puis, tous les objets segmentés à partir des images multimodales sont regroupés dans une même image 3D.


En salle d'opération
Rendre les données disponibles pendant l'opération s'avère le plus délicat. Pour les informaticiens, le fait de travailler en synergie avec les neurochirurgiens révèle ici tous ses avantages.

Il faut en effet mesurer à quel point la salle d'opération est un milieu particulier, où tous les dispositifs convergent vers un seul but : assister le neurochirurgien dans son intervention. Il est exclu d'encombrer l'espace par des appareillages volumineux. Au contraire, il convient de proposer une solution qui modifie le moins possible les habitudes des neurochirurgiens. Comme le neurochirurgien opère à travers le microscope chirurgical, les informaticiens ont choisi de présenter les informations venant de l'imagerie en les superposant sur l'image du patient qui est vue dans ce microscope. Les informations extraites des images sont représentées sous forme de contours de couleur.

À nouveau, ce sont des techniques de mise en correspondance géométrique qui sont utilisées pour recaler les images. Les points de repère, matérialisés par des pastilles collées sur le crâne du patient, sont visibles sur les images pré-opératoires, et sont repérés en salle d'opération à l'aide d'un système de neuronavigation. On les pointe avec un outil en forme de crayon, dont la position est détectée par triangulation à partir des images de trois caméras.

Malheureusement, les choses ne restent pas aussi simples lors de l'intervention. Lorsque le neurochirurgien ouvre la boîte crânienne, se produit un phénomène d'affaissement du cerveau, appelé brain-shift en anglais, qui rend obsolètes les informations acquises avant l'opération.

Or il n'est pas envisageable de recommencer l'acquisition des données. Il devient donc nécessaire de mettre à jour les images acquises avant l'intervention, afin de prendre en compte la déformation du cerveau. Une solution consiste à utiliser un dispositif léger et rapide, comme une échographie par exemple, afin d'obtenir de nouvelles informations succinctes, et de les fusionner avec les indications plus précises provenant des images pré-opératoires.

Mais la déformation est telle qu'un recalage rigide n'est pas possible. Il faut utiliser une technique plus complexe, de recalage non rigide, non linéaire, qui calcule la déformation en chaque point de l'image. Un tel calcul de recalage pourra être nécessaire plusieurs fois au cours de l'opération.

Vers la neurochirurgie guidée par l'image
Présenter la bonne information au bon moment pour aider le neurochirurgien, c'est ce qui guide le développement des techniques informatiques de fusion d'images. Dans ce but sont aussi élaborés des modèles de procédure chirurgicale. En effet, si les grandes étapes de la chirurgie sont connues a priori, il devient possible d'anticiper ce que le neurochirurgien aura besoin de voir lors de ces différentes étapes. Et si cette connaissance est couplée avec le logiciel de visualisation d'images, alors l'accès aux images et le mode de représentation peuvent être adaptés en fonction de ces besoins.

Dans le contexte de la chirurgie, il est indispensable d'évaluer avec rigueur le fonctionnement global du système ainsi que la précision spatiale de chacun de ses composants. Aujourd'hui, ce dispositif de neurochirurgie guidée par l'image est utilisé expérimentalement au Centre hospitalier universitaire de Rennes pour certaines interventions. Le bénéfice pour le patient ne fait pas de doute. Des lésions peuvent être opérées à un stade plus précoce. Et les zones fonctionnelles sont mieux préservées, ce qui améliore la qualité de vie du patient après l'intervention.

Les recherches se poursuivent, afin de continuer à enrichir l'information fournie aux neurochirurgiens, en intégrant de nouvelles modalités d'imagerie, qui permettent de mieux caractériser les zones lésionnelles. Pour aller encore plus loin dans l'aide à la prise de décision et à l'action.

Ce document a été rédigé d'après les indications de Pierre Jannin document externe au site, chercheur CR1 à l'INSERM, et Xavier Morandi, neurochirurgien et Professeur d'anatomie, tous deux membres de l'équipe VisAGeS  document externe au site.

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Syndrome de Rett

Février 2010

Le syndrome de Rett est une maladie d’origine génétique se traduisant par un trouble grave du développement du système nerveux central. La maladie doit son nom au neuropédiatre autrichien Adreas Rett (1924-1997), qui en fit la première description en 1966. Mais c’est un article de 1983 qui a attiré l’attention des psychiatres et neurologues sur ce trouble grave, que l’on assimilait à tort à l’autisme.

Prévalence

Le syndrome de Rett est une maladie rare : sa prévalence (nombre de cas total dans une population donnée) est estimée entre 1 cas sur 10 000 et 1 sur 15 000. En France, cela représente 25 à 40 nouveaux malades diagnostiqués chaque année (source : Orphanet). Le syndrome de Rett a pour particularité de ne toucher que les filles, en raison de sa cause génétique.

Cause

L’explication du syndrome de Rett a été apportée en 1999 : il s’agit d’une anomalie du gène MEPC2, situé sur le chromosome X, qui code pour la protéine du même nom. Cette maladie liée à un chromosome sexuel s’exprime chez les filles porteuses de la mutation, mais pas chez les garçons. Le gène muté a une influence sur l’expression d’autres gènes qui contribuent à la formation du système nerveux. Dans 15 à 20 % des cas cependant, des enfants présentant tous les symptômes du syndrome de Rett ne sont pas porteurs de la version délétère du MEPC2. Il est probable que d’autres mutations aboutissent à un tableau clinique comparable. Ce qui n’est pas étonnant puisqu’un grand nombre de gènes sont impliqués dans le développement et le fonctionnement du cerveau.

Le syndrome de Rett est-il héréditaire ?
Non, bien que la maladie soit génétique. Dans 99 % des cas en effet, on ne trouve aucun malade dans la famille du patient. La mutation délétère est dite "de novo", c’est-à-dire qu’elle survient accidentellement sur le chromosome X du spermatozoïde fécondant l’ovocyte de la mère. Si des parents ont déjà un enfant atteint, ils peuvent cependant demander un diagnostic prénatal dans le cas d’une nouvelle grossesse.

Symptômes

Trouble du développement, le syndrome de Rett est évolutif. Et il peut présenter des symptômes variables selon les sujets. Le fonctionnement et le comportement des personnes atteintes ne présentent rien d’anormal à la naissance. Mais entre 1 et 4 ans, les enfants deviennent irritables, pleurent souvent, fuient les contacts. La préhension manuelle, acquise en première année, stagne ensuite et laisse place à des gestes stéréotypés. Le langage se développe peu. Les fillettes souffrent de retards psychomoteurs, de troubles du sommeil, de convulsions et parfois d’automutilation. De 2 à 10 ans, la majeure partie des symptômes persiste, avec également une raideur des membres (spasticité), des troubles de l’équilibre (ataxie) et des défaillances respiratoires. Le périmètre crânien diminue, ce qui manifeste un arrêt de la croissance cérébrale. Inversement, le contact avec l’entourage s’améliore. Après 10-15 ans, l’évolution tardive du syndrome de Rett est dominée par des troubles musculaires (amyotrophies) et squelettiques (scoliose), imposant souvent l’usage d’un fauteuil roulant. La longévité est moindre que celle de la population générale, mais elle est difficile à estimer.

Des formes atypiques, un diagnostic parfois malaisé
Les signes cliniques ne permettent pas toujours un diagnostic aisé du syndrome de Rett, qui est souvent confondu avec d’autres troubles envahissants du développement, au premier rang desquels l’autisme. De surcroît, il en existe des formes atypiques : manifestation du trouble dès la naissance, ou au contraire plus tardive (après 5 ans), atteinte variable du langage et du comportement social, présence d’épilepsies. Seul le test génétique permet un diagnostic sûr, au moins dans les 80 % de cas où le gène MEPC2 est impliqué.

Traitements

Il n’existe aucun traitement curatif de la maladie, mais la prise en charge des symptômes est importante. L’enfant est ainsi traité pour les manifestations musculaires, squelettiques, respiratoires et orthopédiques, ainsi que pour les crises d’épilepsie si elles sont présentes. Une prise en charge éducative permet aussi de développer au mieux les potentialités cognitives présentes chez la jeune malade.

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Paris, 4 août 2015

Le glutamate : un nouvel acteur dans la mécanique de l'addiction

Des chercheurs viennent d'identifier chez la souris, puis de confirmer chez l'homme, un nouvel acteur régulant l'addiction. Le glutamate, un neurotransmetteur1, contribue à réguler la libération de dopamine dans le noyau accumbens, l'une des structures cérébrales du système de récompense. Plus précisément, c'est un subtil équilibre avec un autre neurotransmetteur – l'acétylcholine – qui évite l'emballement du système et l'entrée dans l'addiction. Cette découverte, qui augure de nouvelles perspectives thérapeutiques, a été réalisée par des neurobiologistes du laboratoire Neurosciences Paris-Seine (Institut de biologie Paris-Seine, CNRS/Inserm/UPMC) et de l'Institut universitaire en santé mentale Douglas (McGill University, Montréal, Canada), en association avec des spécialistes de génétique humaine à l'Institut Mondor de recherche biomédicale (Inserm/UPEC). Leurs travaux sont publiés le 4 août 2015 dans la revue Molecular Psychiatry.
Lors de la prise de drogues, la quantité de dopamine augmente dans les structures du cerveau formant le circuit de la récompense. L'intensité et la rapidité de la décharge de dopamine sont à la base du processus qui va conduire au développement de l'addiction. Les neurones cholinergiques du noyau accumbens, l'un des centres de la récompense, sont connus pour réguler cette libération de dopamine. Alors que la plupart des neurones ne libèrent qu'un seul neurotransmetteur, l'équipe franco-canadienne de Salah El Mestikawy a montré en 2002 que ces neurones utilisant l'acétylcholine sont aussi capables d'utiliser le glutamate. Ces neurones, qui sont en quelque sorte bilingues, sont capables à la fois d'activer (via l'acétylcholine) et d'inhiber (via le glutamate) la sécrétion de dopamine.

Dans cette nouvelle étude, réalisée en grande partie par Diana Yae Sakae au cours de sa thèse dirigée par Salah El Mestikawy, les chercheurs montrent que lorsqu'ils bloquent chez les souris un gène essentiel à cette communication par le glutamate (appelé VGLUT3), les animaux deviennent plus vulnérables à la cocaïne. Ils ressentent davantage les effets stimulants de la drogue, développent plus facilement une « addiction » et sont plus susceptibles de « rechuter » après une période d'abstinence. Le glutamate provenant de ces neurones à acétylcholine jouerait donc un rôle régulateur majeur pour limiter l'addiction à la cocaïne.

Les chercheurs ont alors voulu savoir si ce mécanisme était aussi à l'œuvre chez l'homme. Ils ont recherché, chez des patients polytoxicomanes, des mutations du gène qui avaient rendu les souris « accros ». A l'Institut Mondor de recherche biomédicale, l'équipe de Stéphane Jamain a observé qu'une mutation de ce gène est dix fois plus fréquente dans un groupe de patients toxicomanes sévères par rapport à un groupe d'individus sans symptômes psychiatriques. Cette mutation pourrait expliquer une plus grande vulnérabilité à l'addiction de ces patients2. Ces observations semblent en tout cas confirmer le rôle du glutamate dans le mécanisme de l'addiction.

Ces travaux précisent donc les mécanismes neuronaux qui sous-tendent la recherche du plaisir : ils montrent que, contrairement à ce que pensaient les scientifiques jusqu'à présent, ce n'est pas l'acétylcholine seule qui régule la libération de dopamine, mais l'équilibre entre acétylcholine et glutamate. Ils identifient en même temps une cible insoupçonnée pour le traitement de la toxicomanie. En effet, alors que l'acétylcholine a de nombreuses autres fonctions dans le cerveau et au niveau musculaire, cette transmission par le glutamate est plus spécifique. La prochaine étape est d'identifier le récepteur impliqué, afin de pouvoir mettre au point des traitements pharmacologiques.

Ces travaux ont été financés notamment par la Fondation pour la recherche médicale (FRM) et l'Agence nationale pour la recherche (ANR).

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Les glandes surrénales

Les glandes surrénales régulent notre taux de sucre et de sodium, elles nous permettent de réagir aux situations de stress, accélèrent notre rythme cardiaque... Les surrénales sont deux petites glandes mal connues mais néanmoins très utiles qui se situent juste au-dessus des reins.
Comme leur nom l'indique, chaque surrénale est située au-dessus d'un rein. Lorsque l'on réalise une coupe transversale de cette glande, on remarque deux zones : une partie jaunâtre assez ferme à la périphérie, c'est la "corticosurrénale" et une zone rougeâtre au centre, très vascularisée : c'est la "médullosurrénale". Chacune de ces zones est spécialisée dans la fabrication d'hormones indispensables au fonctionnement de notre organisme.
La médullosurrénale sécrète l'adrénaline et la noradrénaline qui accélèrent les battements cardiaques et augmentent la pression artérielle. La corticosurrénale sécrète d'autres hormones. Certaines sont des androgènes comme la testostérone (les testicules ne sont pas les seuls à en produire), d'autres hormones agissent sur le rein en réabsorbant le sodium, c'est le cas de l'aldostérone, d'autres encore ont une action anti-inflammatoire comme le cortisol. Cette dernière augmente aussi la réserve de lipides, favorise le stockage du glucose dans le foie, elle augmente le taux de sucre dans le sang et agit également sur le catabolisme des protides, en cassant les grosses protéines en acide aminé.
Les surrénales sont régulées par le cerveau, notamment par une structure qu'on appelle l'hypophyse. Elle libère un message hormonal qui va stimuler les surrénales. Dès que la production est suffisante, les surrénales envoient à leur tour un signal au cerveau pour lui signaler de stopper la production de telle ou telle hormone.
Parfois ce mécanisme de régulation fonctionne mal, comme dans la maladie d'Addison où la production de cortisol est stoppée. À l'inverse, d'autres maladies peuvent faire suite à une surproduction de cette hormone. C'est le cas du syndrome de Conn qui va provoquer une surproduction d'aldostérone. Résultat : au lieu d'être éliminé, le sodium (donc le sel) est réabsorbé ce qui va provoquer notamment une hypertension artérielle.
Autre exemple de surproduction, la maladie de Cushing. Il s'agit d'un excès de production du cortisol. Cela va avoir des conséquences sur le stockage des graisses, des sucres et sur la dégradation des protéines. Résultat, la personne va changer physiquement notamment au niveau du visage et du cou.

Quand les glandes se dérèglent



La maladie d'Addison. Dans le cas de cette maladie, la production de cortisol est stoppée.
La maladie de Cushing. Le cortisol est produit en grosse quantité, sur commande de l'hypophyse, une glande située dans le cerveau. Cela a alors  des conséquences sur le stockage des graisses, des sucres et sur la dégradation des protéines. Des signes d'obésité localisée au niveau du visage et du cou, et une atrophie des muscles des jambes, sont alors fréquents. Dans cette affection, c'est un adenome de l'hypophyse, qui commande aux surrénales de produire trop de cortisol.
Le syndrome de Conn. Autre exemple de surproduction hormonale, le syndrome de Conn. Il s'agit d'une tumeur bénigne qui va provoquer une surproduction d'aldostérone. Résultat : au lieu d'être éliminé, le sodium est réabsorbé, ce qui va provoquer, entre autres, une hypertension artérielle.
Si la tumeur est localisée là où siège la production d'adrénaline et de noradrénaline, comme dans le phéochromocytome, la surproduction des deux hormones va être responsable d'une hypertension qui va fragiliser le cœur puis le fonctionnement du cerveau.

Chirurgie des surrénales



Pour éviter les surproductions d'hormones liées à la présence d'une tumeur, on a parfois recours à la chirurgie.
L'ablation d'une glande. À l'issue de l'opération, les symptômes disparaissent puisqu'il n'y a plus la tumeur responsable des dysfonctionnements. On vit très bien avec une seule glande surrénale et la chirurgie a l'avantage d'éviter un traitement médicamenteux à vie.
L'ablation des deux glandes. Si les deux glandes surrénales sont touchées, et donc enlevées, il n'y aura plus du tout de production hormonale. Dans ce cas, le patient devra compenser par un traitement médicamenteux qui devra être suivi toute la vie.

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