Dans un trou du champ magnétique terrestre, des neuroscientifiques scrutent le cerveau humain

Ce qui se passe dans la salle blanche est aussi important que ce qui n’est pas.

Derrière des murs épais et une porte scellée par un volant, les champs magnétiques du monde sont réduits à pratiquement rien. Libérés de ce bruit de fond, les champs magnétiques générés par les neurones qui s’activent dans le cerveau – champs a milliard fois plus petit que celui de la Terre – peut être mesuré, donnant un aperçu de la boîte noire du cerveau.

À l’intérieur de la pièce, confortablement installé sur la tête de Keya Shapiro, 17 ans, se trouve un casque, parsemé de petits rectangles noirs – chacun contenant un peu de physique quantique, qui aide à scruter le fonctionnement interne de son cerveau.

Née avec un côté gauche plus faible que son côté droit, Keya a dû suivre une thérapie pédiatrique du mouvement induit par la contrainte (PCIMT) pendant des années. Pour Keya, la thérapie consiste à placer son bras droit dans un plâtre et à effectuer une thérapie physique avec sa main gauche, en la renforçant et en développant sa dextérité.

La thérapie a fonctionné : le lycéen joue au tennis et prend des photos.

Mais maintenant, l’expérience PCIMT de Keya va devenir un cas de test pour une manière différente de voir ce qui se passe à l’intérieur du cerveau humain.

Derrière des murs épais se trouve un trou dans le champ magnétique terrestre.

Matière grise, boîte noire

En ce qui concerne le cerveau, il y a tellement de choses que nous ne savons tout simplement pas.

Les méthodes actuelles d’imagerie du cerveau ont toutes leurs inconvénients. Ils peuvent être trop lents pour montrer ce qui se passe, comme s’ils regardaient un View-Master au lieu d’un film. Ils peuvent être imprécis, ne nous donnant pas les détails les plus fins de ce qui se passe. Et, comme l’IRM, ils peuvent nécessiter de gros équipements, des paramètres cliniques inhabituels et une immobilité anormale pendant de longues périodes.

Nous ne pouvons pas encore mesurer le cerveau comment nous utiliser ce.

C’est ce que cette expérience est censée changer. Les chercheurs de Virginia Tech à l’extérieur de la boîte scellée imagent le cerveau de Keya à l’aide d’un outil qui pourrait être une étape vers la résolution de ces limitations.

Appelés «magnétomètres à pompage optique» (OPM), ils mesurent les champs magnétiques créés par les neurones qui déclenchent – c’est pourquoi Keya est assis dans ce trou du champ magnétique terrestre, qui étoufferait normalement les minuscules signaux des neurones.

Les OPM sont plus rapides que les autres dispositifs d’imagerie cérébrale et fournissent une image plus précise de l’endroit où les neurones se déclenchent que la mesure des champs électriques des cellules cérébrales.

Ils peuvent aussi permettre à un sujet de bouge toi tout en enregistrant leur activité cérébrale, nous rapprochant un peu plus du Saint Graal des neurosciences, mesurant le cerveau dans la nature. (Je dois faire quelque chose à propos de ces champs magnétiques hurlants là-bas, cependant.)

Ici, à l’Institut de recherche biomédicale Fralin de Virginia Tech, une équipe travaille à l’optimisation de la technologie, établissant les meilleures pratiques d’utilisation de l’OPM pour étudier les situations sociales.

L’OPM et la technologie de salle blanche que les chercheurs développent leur permettront de remplir leur mandat “d’être les premiers au monde à étudier l’activité cérébrale sous-jacente aux interactions sociales lors d’échanges en face à face” – à commencer par des patients comme Keya et leurs thérapeutes.

Situé dans l’ombre des montagnes Blue Ridge du sud-ouest de la Virginie, le Fralin Biomedical Research Institute de Virginia Tech-Carilion est un pionnier de nouvelles formes d’imagerie cérébrale fonctionnelle. Image de l’auteur.

Le cerveau et le Blue Ridge

Les jets régionaux – du genre peint comme United mais exploités par Air Wisconsin – rebondissent sur les vents au-dessus de Roanoke. Vous regardez les montagnes de Blue Ridge de Virginie lorsque vous atterrissez; leurs lignes vertes déchiquetées ourlent l’horizon.

Et dans leur ombre se dresse l’Institut Fralin.

Keya est venue en Virginie depuis son domicile du Minnesota – où elle vit avec sa mère, son frère et son mini-Bernedoodle – pour ses traitements PCIMT. Elle travaille avec l’ergothérapeute principale Mary Rebekah Trucks, dans le laboratoire de Stephanie DeLuca, codirectrice de la Neuromotor Research Clinic.

Maintenant, DeLuca rejoint son collègue de Virginia Tech, Read Montague – avec une équipe de l’Université de Nottingham au Royaume-Uni – pour utiliser l’OPM pour mesurer le cerveau des patients PCIMT et de leurs thérapeutes.

DeLuca espère que les mesures cérébrales pourront aider à révéler les meilleures pratiques en matière de thérapie. Quelle est l’importance de la contrainte sur les membres les plus forts du patient ? Quelle quantité de travail le patient doit-il faire ? Existe-t-il des biomarqueurs pour montrer que la thérapie fonctionne ?

Ces données pourraient ensuite être utilisées pour optimiser le PCIMT – et aider à convaincre davantage de fournisseurs d’assurance de payer pour cela.

Pour Montague, l’OPM est encore une autre façon de voir dans le cerveau.

Exploitant la physique quantique, les chercheurs peuvent lire les champs magnétiques incroyablement minuscules des neurones de déclenchement – mesurant le cerveau avec rapidité et précision.

En tant que chef du Centre de recherche en neurosciences humaines de Fralin, Montague (qui a un soupçon de Reed Richards à son sujet) et ses collègues ont formé des modèles d’IA pour diagnostiquer les troubles de santé mentale ; utiliser l’IRMf pour mieux comprendre et combattre la dépendance ; et déposer des sondes dans le cerveau des patients pour prendre des mesures en temps réel de leurs neurotransmetteurs.

L’idée est que les futurs patients venant à Roanoke pour recevoir le PCIMT avec DeLuca et Trucks verront également leurs séances mesurées – les interactions les plus intimes du thérapeute et du patient révélées par un effet quantique sur les atomes.

Finalement, l’espoir est que les capteurs OPM puissent être placés toujours plus près de la tête des patients, permettant des mesures toujours plus précises et quelque chose d’encore plus proche de la mesure du cerveau dans un cadre réaliste.

“Il faudra se développer dans un domaine pour qu’il bouge vraiment”, déclare Montague. “Pas seulement nous ici dans les Appalaches.”

Actuellement, personne d’autre en Amérique du Nord ne fait de neuroimagerie fonctionnelle exactement comme ça, dit Virginia Tech; il existe une installation similaire, plus petite, au Texas, mais elle n’est pas encore conçue pour mesurer deux personnes à la fois ou pour permettre le mouvement.

Le cerveau au travail

La neuroimagerie fonctionnelle est exactement ce à quoi cela ressemble : prendre des images du cerveau au travail. Il existe plusieurs façons de le faire, et toutes ont leurs avantages et leurs inconvénients.

Prenez des IRM fonctionnelles. Une IRMf mesure les changements dans le flux sanguin. En regardant où le sang circule dans le cerveau, nous pouvons déduire quelles parties du cerveau travaillent plus fort que d’habitude.

La technique présente cependant quelques inconvénients notables; mesurer le flux sanguin, plutôt que les cellules du cerveau, est un indirect mesure de l’activité cérébrale. Les IRMf prennent également un éternité entre chaque instantané – ils ont une faible “résolution temporelle”.

C’est comme un flipbook d’activité par rapport à une vidéo.

Les OPM pourraient être un pas de plus vers le Saint Graal de la neurologie : mesurer le cerveau dans un cadre naturaliste.

Par comparaison, la magnétoencéphalographie (MEG) et l’électroencéphalographie (EEG) fournissent direct mesures de l’activité cérébrale.

Les MEG, une catégorie qui comprend l’OPM, détectent les champs magnétiques des cellules cérébrales et les EEG mesurent les courants électriques. Et ils le font beaucoup plus rapide que l’IRMf.

“Ce que MEG et EEG regardent, c’est la fonction du cerveau”, explique Elena Boto, chercheuse au Sir Peter Mansfield Imaging Center de l’Université de Nottingham.

« Le cerveau, nous savons que c’est un circuit électrique. Donc pour mesurer la fonctionnalité du cerveau, il faut regarder les courants – ou les champs magnétiques associés à ces courants – qui sont produits par des assemblages de neurones dans le cerveau. »

Ce qui distingue le MEG de l’EEG, c’est la précision avec laquelle il peut localiser l’emplacement des neurones qui se déclenchent.

“Le champ magnétique traverse votre crâne et votre eau sans être dérangé”, explique Svenja Knappe ; les signaux électriques ne le font pas et le résultat final est une image floue.

Knappe est professeur de recherche agrégé à l’Université du Colorado et co-fondateur de FieldLine Inc., un fabricant d’OPM-MEG. Knappe faisait partie de l’équipe qui a développé les OPM au National Institute of Standards and Technology (NIST), et était auparavant scientifique principal chez Quspin, qui a commercialisé l’OPM et construit ceux utilisés à Virginia Tech.

La plupart des lectures MEG sont prises à l’aide de capteurs appelés SQUID. Ceux-ci doivent être maintenus au froid via de l’hélium liquide pour fonctionner, de sorte que les SQUID sont placés dans des casques rigides ressemblant à des cerveaux qui entravent les mouvements et maintiennent les capteurs à de précieux centimètres du cerveau. Même cette petite distance a un impact sur la capacité des SQUID à mesurer le cerveau.

Les capteurs OPM sur la tête de Keya n’ont pas besoin d’être maintenus ultra-froids. Sans avoir besoin d’hélium liquide, ils peuvent être déployés beaucoup plus près de son cuir chevelu.

“Le principal avantage des OPM de mon point de vue est qu’ils peuvent être placés sur la tête plus près de la source d’intérêt”, explique Samu Taulu, directeur du I-LABS MEG Brain Imaging Center de l’Université de Washington.

Parce que les champs magnétiques sont si petits, même une distance infime entre les capteurs et le cerveau réduit la précision. Les nourrissons mesurés via MEG dans le laboratoire de Taulu fournissent une meilleure lecture que vous ou moi; leurs crânes sont plus fins !

L’absence d’hélium liquide permet de libérer les capteurs OPM d’un casque rigide, ce qui facilite les déplacements. Selon Taulu, les sujets des MEG traditionnels peuvent également bouger ; nous avons les calculs pour équilibrer cela lorsque nous examinons les données. Bien que, souligne Knappe, les casques rigides soient fixes, limitant tout mouvement.

Des horloges atomiques à la boîte noire

Chacun des capteurs OPM est essentiellement une horloge atomique.

Ils contiennent du gaz rubidium sensible aux champs magnétiques et à leur orientation.

“Selon les fluctuations du champ magnétique… comme c’est nuageux [gas] ce sont des changements », déclare Stephen LaConte, professeur agrégé au Fralin Biomedical Research Institute.

En faisant briller un laser à travers le gaz, les OPM utilisent la quantité de lumière transmise pour mesurer la présence et la force des champs magnétiques.

En éliminant le champ magnétique de la Terre et d’autres objets dans la pièce à blindage magnétique – et en contrôlant ceux à l’intérieur de la pièce, comme votre cœur et vos muscles – vous pouvez créer une image de l’endroit où les neurones se déclenchent dans le cerveau avec une vitesse et une précision que les autres techniques de neuroimagerie manquent.

Keya s’assoit et regarde, et les champs magnétiques générés par son cerveau sont mesurés. Elle n’est pas censée penser activement, ce qui bien sûr lui fait maintenant réaliser comment elle pense.

Une interaction mesurée

A l’intérieur de la salle blanche, Keya fixe un signe plus projeté sur un écran. Elle porte un plâtre s’étendant de son épaule droite jusqu’au bout de ses doigts. L’appareil prend une lecture à l’état de repos de son esprit; les capteurs sont chauds sur sa tête, l’endormant presque.

Le plâtre est retiré, elle s’assoit et regarde, et les champs magnétiques générés par son cerveau sont à nouveau mesurés. Elle n’est pas censée penser activement, ce qui bien sûr lui fait maintenant réaliser comment elle pense.

Elle se demande si Montague et les chercheurs, regardant via webcam depuis une salle d’observation, peuvent dire qu’elle peut les entendre sur le système de communication – peuvent dire où dans son cerveau elle les entend.

Elle tape ses doigts, à gauche ou à droite, en suivant les indications sur l’écran ; elle recommence, mais seulement dans sa tête.

Et les champs magnétiques sont des secrets pour les scientifiques à l’extérieur.

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