Publié le 10 février 2024 à 18h30. Des chercheurs du MIT, de Harvard et du Massachusetts General Hospital ont mis au point un logiciel d’intelligence artificielle capable d’analyser avec précision les faisceaux de fibres nerveuses du tronc cérébral, ouvrant de nouvelles perspectives pour le diagnostic et le suivi de maladies neurologiques complexes.
- L’outil, baptisé BrainStem Bundle Tool (BSBT), segmente automatiquement huit faisceaux distincts dans les images d’IRM de diffusion.
- Des analyses préliminaires révèlent des anomalies structurelles spécifiques chez des patients atteints de la maladie de Parkinson, de sclérose en plaques, de traumatismes crâniens et même de la maladie d’Alzheimer.
- Le BSBT a permis de suivre la progression de la guérison d’un patient dans le coma, offrant un potentiel pronostique significatif.
Le tronc cérébral, siège de fonctions vitales telles que la conscience, le sommeil, la respiration et le contrôle cardiaque, est resté longtemps une zone d’ombre pour les neuroscientifiques. Les techniques d’imagerie conventionnelles peinaient à visualiser avec précision les réseaux complexes de fibres nerveuses – la « substance blanche » – qui le composent. Cette limitation entravait la compréhension de l’impact des traumatismes et des maladies neurodégénératives sur cette région cruciale du cerveau.
Pour pallier ce problème, une équipe de recherche dirigée par Mark Olchanyi, doctorant au MIT, a développé le BSBT, un logiciel basé sur l’intelligence artificielle. Ce dernier est capable de segmenter automatiquement huit faisceaux distincts dans les séquences d’IRM de diffusion. L’étude, publiée le 6 février dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, décrit en détail le fonctionnement de cet outil innovant et ses premières applications.
Selon Mark Olchanyi,
« Le tronc cérébral est une région du cerveau qui est essentiellement inexplorée car elle est difficile à visualiser. Les gens ne comprennent pas vraiment sa composition du point de vue de l’imagerie. Nous devons comprendre quelle est l’organisation de la substance blanche chez l’homme et comment cette organisation se décompose dans certains troubles. »
Mark Olchanyi, doctorant au MIT
Le BSBT fonctionne en traçant les faisceaux de fibres qui convergent vers le tronc cérébral depuis d’autres zones du cerveau, comme le thalamus et le cervelet, créant ainsi une « carte probabiliste des fibres ». Un réseau neuronal convolutif, un module d’intelligence artificielle, combine ensuite cette carte avec différentes informations issues de l’IRM pour distinguer les huit faisceaux individuels. L’algorithme a été entraîné sur 30 IRM de diffusion issues du Human Connectome Project (Human Connectome Project) et validé sur des dissections post-mortem de cerveaux humains.
Les premiers résultats obtenus avec le BSBT sont prometteurs. L’outil a permis de détecter des schémas de changements structurels distincts chez des patients atteints de la maladie de Parkinson, de la sclérose en plaques et de traumatismes crâniens. Il a également mis en évidence des anomalies dans la maladie d’Alzheimer. De plus, l’étude rapporte le cas d’un patient dans le coma chez qui le BSBT a permis de suivre la restauration progressive des connexions nerveuses au cours de son rétablissement sur une période de sept mois.
Le professeur Emery N. Brown, directeur de thèse de Mark Olchanyi et co-auteur principal de l’étude, souligne l’importance de cette avancée :
« Le tronc cérébral est l’un des centres de contrôle les plus importants du corps. Les algorithmes de Mark sont une contribution significative à la recherche en imagerie et à notre capacité à comprendre la régulation de la physiologie fondamentale. En améliorant notre capacité à imager le tronc cérébral, il nous offre un nouvel accès à des fonctions physiologiques vitales telles que le contrôle des systèmes respiratoire et cardiovasculaire, la régulation de la température, la façon dont nous restons éveillés pendant la journée et comment nous dormons la nuit. »
Emery N. Brown, professeur au MIT
Les chercheurs espèrent que le BSBT deviendra un outil précieux pour le diagnostic précoce et le suivi des maladies neurologiques, ainsi que pour l’évaluation des dommages cérébraux suite à un traumatisme. Le logiciel est accessible au public sur GitHub, permettant à d’autres chercheurs de l’utiliser et de le développer davantage.
L’étude a été financée par les National Institutes of Health, le Département américain de la Défense, la Fondation James S. McDonnell, la Fondation Rappaport, l’American SidS Institute, l’American Brain Foundation, l’American Academy of Neurology, le Center for Integration of Medicine and Innovative Technology, le Blueprint for Neuroscience Research et le Massachusetts Life Sciences Center.