la complexité de l’hippocampe. Mais en utilisant un scanner de 11,7 teslas nous allons pouvoir distinguer les détails de cette structure cérébrale et peut-être même y voir les plaques que l’on observe au microscope dans la   maladie d’Alzheimer. Ainsi en augmentant le champ magnétique produit par l’instrument on accroît l’aimantation des atomes d’hydrogène de l’eau que renferme le corps de chacun d’entre nous. D’où une augmentation du signal perçu et, par conséquent, l’obtention d’une plus grande précision dans les images de la représentation magnétique du cerveau fournies par l’IRM.

 

L’idée de développer un tel projet a germé en 2001. A cette époque, il existait dans le monde environ une centaine de scanners IRM opérant à 3 teslas, que l’on trouve désormais couramment dans les hôpitaux. Sinon, les Etats-Unis disposaient d’une machine de ce type à 7 teslas, alors que deux autres étaient commandées, l’une au Japon, l’autre aux Etats-Unis. De notre côté, au CEA, nous disposions d’un savoir-faire unique en matière de conception et de fabrication d’aimant supraconducteurs, par exemple pour les accélérateurs de particules du CERN, à Genève, ou pour la fusion thermonucléaire dans le cadre du projet ITER. Dans ce contexte, pourquoi ne pas envisager de le coupler avec notre expertise en neurobiologie afin de concevoir un instrument IRM unique au monde ? Au fil des années, les installations se sont multipliées dans le monde. En 2007, à l’ouverture de NeuroSpin, il existait plus de 700 systèmes IRM, dont une dizaine à 7 teslas, un à 8 teslas, et trois autres à 9,4 teslas, localisés aux Etats-Unis et en Allemagne. Aujourd’hui, plus de 6 000 instruments à 3 teslas et une cinquantaine à 7 teslas sont en service à la surface de la planète. Quant au record du monde, il est détenu par une IRM, installée à Minneapolis, aux Etats-Unis, équipée d’un aimant qui produit un champ magnétique de 10,5 teslas. Cela dit, tous ces aimants reposent sur un modèle classique contrairement à notre instrument à 11,7 teslas.

 

• En quoi ce nouvel instrument installé à NeuroSpin est-il différent ?

 

Denis Le Bihan – Pour parvenir à générer un champ magnétique de 11,7 teslas, il était nécessaire de concevoir une bobine de fil supraconducteur en alliage de Niobium-Titane dans lequel va circuler un courant de 1 500 ampères. Aussi nous a-t-il fallu mener des travaux de R&D durant plusieurs années, travaux qui ont conduits à développer un nouveau design d’aimant pour économiser le fil, dont 182 km ont été nécessaires, tout en respectant les spécifications d’homogénéité et de stabilité du champ magnétique nécessaires à l’IRM. Ceci a été possible grâce au bobinage spécifique du fil, basé sur une structure dite en « double-galettes ». Ce design assure ainsi son refroidissement dans des conditions optimales. Au total, la bobine principale compte 170 de ces double-galettes dont la position dans l’espace a été optimisée pour garantir une parfaite homogénéité du champ magnétique. Fonctionner à une température de 1,8 K, soit - 271° C, alors que les autres aimants sont refroidis en général à 4,8 K, implique également de maîtriser la technologie de l’hélium superfluide, dans lequel baigne l’aimant principal, et une installation de cryogénie dédiée fonctionnant 24h sur 24. En outre, cet aimant intègre deux bobines de blindage actif – d’où la taille hors norme de l’aimant – qui génèrent un champ magnétique opposé au champ de l’aimant principal, permettant à la fois de confiner et de renforcer ce dernier. Or pour un aimant de cette puissance, il s’agit d’une première mondiale.

 

Concernant l’antenne radiofréquence placée autour de la tête du patient, là encore nous avons dû innover en proposant une architecture spécifique. Dans un instrument dont l’aimant génère 11,7 teslas, l’antenne placée autour de la tête du patient doit en effet fonctionner à 500 MHz et générer elle-même un champ  qui soit le plus uniforme possible. Or à cette fréquence, la longueur d’onde se rapproche des dimensions de la tête ce qui rend un champ de radiofréquences fortement non-uniforme et perturbe la qualité des images. Qui plus est, il faut également limiter l’échauffement des tissus mais aussi le parasitage du signal collecté, ainsi que la taille de l’antenne pour des raisons d’encombrement. D’où la conception par les équipes du CEA d’une antenne hybride reposant sur un réseau de composants à la fois émetteurs et récepteurs (12 résonateurs), doublés d’un réseau uniquement récepteurs (10 résonateurs), afin d’obtenir la meilleure sensibilité dans un volume minimal. Enfin, la reconstitution d’images à partir des données collectées nécessite de la part des équipes de NeuroSpin le développement de nouvelles techniques d’encodage du signal IRM et de traitements des signaux. La conception d’un tel instrument a donc supposé la levée de verrous technologiques, même s’il s’agit sur le principe d’une extension aux limites des techniques actuellement disponibles.

 

• Qu’attendez-vous de ce nouvel instrument ?

 

Denis Le Bihan – Le champ magnétique plus élevé de l’aimant dont est dotée cette nouvelle machine va donc nous permettre de récupérer davantage de signal mais aussi de ne pas nous limiter à travailler sur le noyau de la molécule d’eau. Nous allons en effet pouvoir utiliser d’autres noyaux comme le carbone 13, le phosphore 31 ou encore l’oxygène 17 pour étudier des molécules très importantes pour le fonctionnement du cerveau (neurotransmetteurs, métabolites). La très grande précision des images que nous devrions obtenir avec cet instrument à très haut champ que nous allons pousser jusqu’à ses limites devrait aboutir à l’émergence de gigantesques bases de données qu’il va falloir exploiter. D’où la nécessité de disposer de modèles informatiques de l’anatomie et du fonctionnement du cerveau. Grâce à cet outil à 11,7 teslas, nous devrions donc franchir de nouvelles étapes dans la compréhension du fonctionnement de cet organe  et de ses pathologies.

 

Peut-être réussirons-nous à terme à découvrir l’existence d’un « code neural » lié à l’organisation tridimensionnelle des cellules, en particulier les neurones, qui composent le cortex cérébral. C’est une hypothèse que j’ai émise et à laquelle je crois beaucoup. Pour parvenir à comprendre comment l’information de ces assemblages de cellules est codée à l’intérieur du cerveau, il sera alors nécessaire de l’observer à une échelle d’environ 1 000 à 10 000 neurones, soit une échelle intermédiaire entre celle à laquelle nous travaillons aujourd’hui, qui représente des millions de neurones et celle constituée de quelques neurones que nous pourrions appréhender à l’aide d’électrodes. D’autres machines, plus puissantes, sont déjà en gestation. Ingénieurs et chercheurs y travaillent déjà en particulier aux Etats-Unis, où l’on évoque déjà des aimants pouvant atteindre les 20 teslas, sachant que le franchissement des 12 teslas nécessitera obligatoirement l’utilisation d’autres matériaux que le Niobium-Titane. Au CEA, nous disposons d’ores et déjà dans nos cartons d’un projet de champ magnétique très intense original et différent.

 

• Quelles sont les prochaines étapes pour cet instrument installé dans la 3ème arche de NeuroSpin qui en compte 6 ?

 

Denis Le Bihan – L’idée que nous avions émise initialement a pris forme progressivement et s’est concrétisée au cours de huit années et demi d’un partenariat entre des équipes académiques et des industriels, avec le soutien financier partiel d’agences publiques (2). L’aimant de 132 tonnes que j’ai vu arriver dans l’enceinte de NeuroSpin le 18 mai dernier, non sans une certaine émotion, après un voyage en camion depuis Belfort, puis en bateau sur le Rhin, la Mer du Nord et la Seine, s’offrant pour l’occasion un passage au pied de la Tour Eiffel, avant d’arriver à Corbeil-Essonnes et de rejoindre Saint-Aubin sur un camion, après qu’il aura été connecté à un certain nombre d’équipements, sera mis à froid au cours des prochains mois. On procèdera à un certain nombre de tests pour voir notamment s’il n’y a pas de fuite d’hélium. Une fois la température de 1,8 K atteinte, l’aimant commencera à produire très progressivement le champ magnétique attendu afin de s’assurer le bon fonctionnement de l’ensemble de l’installation. A ce moment là, la première mondiale annoncée sera effective. Parallèlement, les antennes auront été installées. Sera venu le temps de passer le relais aux chercheurs des sciences du vivant qui pourront alors, comme le veut la tradition, réaliser les premières images sur un végétal qui pourrait être un kiwi. ■