Vers l'impression du cerveau

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est devenue un outil indispensable pour examiner le cerveau humain vivant, tant en recherche qu'en clinique. Toutefois, il est difficile de valider rigoureusement les résultats de l'IRM par rapport à des normes de référence connues. Aujourd'hui, une équipe de scientifiques européens a trouvé une solution révolutionnaire en utilisant l'impression 3D de haute précision pour fabriquer des "fantômes de cerveau" biomimétiques pouvant servir de modèles de référence pour valider les techniques d'IRM telles que l'IRM de diffusion (IRMd). Leurs travaux, publiés dans la revue Advanced Materials Technologies, montrent qu'il est possible de faire progresser l'IRM en tant que sonde non invasive de la structure et de la connectivité du cerveau.

La validation des résultats de la neuroimagerie est cruciale mais difficile, car il y a des problèmes éthiques évidents à effectuer de véritables comparaisons "d'étalon-or" sur le même échantillon de tissu cérébral en utilisant de multiples méthodes, dont certaines sont invasives. Pour résoudre ce problème, les chercheurs conçoivent des objets de test artificiels simplifiés, appelés "fantômes", qui imitent les propriétés des tissus. Toutefois, les méthodes conventionnelles de fabrication des fantômes ne permettent pas d'obtenir les combinaisons de petites tailles, de contrôle étroit de la microstructure et de grandes dimensions d'échantillon nécessaires pour les expériences dans les scanners IRM humains.

C'est là qu'intervient l'impression 3D par polymérisation à deux photons (2PP). Considérée comme le nec plus ultra de la fabrication additive à l'échelle micro et nanométrique, la 2PP permet d'obtenir une résolution extraordinairement élevée en utilisant des impulsions laser ultrarapides pour sculpter des objets solides de quelques microns de diamètre, couche par couche, à partir de résine liquide. Cependant, les structures fabriquées avec la 2PP conventionnelle ont été limitées à quelques centaines de micromètres.

L'équipe de recherche de l'Université médicale de Vienne et de la TU Wien a surmonté cette limitation grâce à plusieurs stratégies. Premièrement, ils ont monté la photorésine directement sur l'objectif de mise au point de l'imprimante 3D et l'ont abaissée progressivement, ce qui a permis de construire des structures plus hautes. Deuxièmement, ils ont imprimé dans des "zones de tuilage" successives pour assembler des blocs de construction couvrant de plus grandes zones xy. En combinant ces techniques, ils ont obtenu des fantômes dont les dimensions étaient de l'ordre du millimètre - assez grandes pour une IRM humaine - tout en conservant des caractéristiques à micro-échelle aussi petites que 12 μm de diamètre, comparables aux diamètres des axones dans la matière blanche.

En utilisant son procédé 2PP optimisé, l'équipe a fabriqué deux fantômes de démonstration. Le fantôme "sandwich" contenait des canaux parallèles en trois couches d'orientation alternée, tandis que le fantôme "plaquette" comportait des rangées de canaux alternant entre deux directions perpendiculaires à l'intérieur de chaque volume de voxel. Les deux fantômes contenaient chacun plus de 14 000 canaux individuels afin d'imiter la densité de la matière blanche humaine et de fournir un signal adéquat pour l'IRM.

L'imagerie et l'analyse ont montré que les fantômes 2PP étaient compatibles avec l'IRM et fournissaient des signatures de diffusion anisotropes appropriées. Dans chaque fantôme, la modélisation par bille et bâton à l'échelle du voxel a permis d'identifier correctement les orientations prédéterminées des canaux. Lorsqu'ils ont été traités avec des algorithmes de suivi des fibres, les résultats ont correspondu aux dispositions parallèles et croisées conçues. Les mesures ont validé le fait que les matériaux induisaient des distorsions négligeables du champ magnétique.

Au-delà de la démonstration des capacités d'impression 2PP, ces premiers fantômes ouvrent la voie à l'amélioration de la validation de l'IRMd. Les travaux futurs pourraient intégrer des géométries de fibres incurvées ou en biseau qui se rapprochent davantage de la complexité de la matière blanche humaine. Chaque fantôme personnalisé servirait alors de vérité de base à laquelle les résultats de l'IRM pourraient être comparés. Ce niveau de contrôle étroit des paramètres microstructuraux n'a jamais été possible auparavant dans les fantômes d'IRMd.

Selon les chercheurs, leurs résultats établissent de nouvelles normes pour la construction d'échafaudages biomimétiques en 3D. La polyvalence de la fabrication de 2PP permet de reproduire pratiquement n'importe quelle géométrie arbitraire de tractus axonal avec une précision proche de celle des vrais tissus neuronaux. Grâce à une optimisation plus poussée, il est possible d'obtenir des fantômes de cerveau encore plus grands et plus précis sur le plan anatomique.

En permettant une modélisation précise de la vérité de terrain de l'IRMd, ces fantômes ont des implications considérables. Ils renforceront les efforts visant à déterminer la sensibilité et la spécificité de la détection des états pathologiques ou des différences basées sur la microstructure de la matière blanche. Plus important encore, ils pourraient valider des techniques d'analyse spécialisées telles que la cartographie de la tractographie de la matière blanche, ce qui est difficile aujourd'hui en l'absence de cas d'essai contrôlés. Cela renforcerait les arguments en faveur des applications cliniques et favoriserait une recherche en neurosciences plus reproductible. En fin de compte, les nouveaux fantômes cérébraux annoncent des améliorations tangibles dans l'étude non invasive de la connectivité du cerveau humain à l'aide de l'IRM.

Grâce à une application créative de l'impression 3D sophistiquée, cette recherche démontre une réalisation technique majeure et fournit un cadre pour répondre aux besoins de validation clés dans le domaine de l'IRM de diffusion. En fabriquant des modèles de tissus biomimétiques précis avec un contrôle sans précédent des propriétés microstructurelles, elle établit une base critique qui devrait stimuler les progrès dans le développement et l'application de cette puissante méthode de neuro-imagerie. Maintenant qu'ils ont démontré la faisabilité et l'utilité des fantômes cérébraux à haute résolution produits par impression 3D par polymérisation à deux photons, les chercheurs prévoient d'affiner l'approche afin d'en exploiter tout le potentiel. Leurs travaux illustrent comment des technologies autrefois considérées comme trop limitées peuvent être ingénieusement adaptées pour ouvrir de nouvelles perspectives scientifiques.

Référence(s)

1. Michael Woletz, Franziska Chalupa-Gantner, Benedikt Hager, Alexander Ricke, Siawoosh Mohammadi, Stefan Binder, Stefan Baudis, Aleksandr Ovsianikov, Christian Windischberger, Zoltan Nagy. Vers l'impression du cerveau : A Microstructural Ground Truth Phantom for MRI. Advanced Materials Technologies, 2024 ; 9 (3) DOI : 10.1002/admt.202300176

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