Mieux voir notre cerveau

Les nouvelles techniques d’imagerie du cerveau, telle que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (ci-dessus), permettent de mieux visualiser les activités cérébrales.

Notre cerveau est un organe à la fois crucial et éminemment complexe. L’imagerie médicale permet de mieux l’appréhender, de mieux en comprendre la structure interne, la topographie et les relations entre ses différentes régions. Plusieurs techniques d’imagerie médicale, complémentaires les unes des autres, ont été mises au point et les mathématiques ont joué un rôle significatif dans ce défi scientifique et technologique.

De telles approches exploitent la formalisation mathématique du processus de construction des images pour notamment pouvoir confier les calculs nécessaires à des ordinateurs. L’un des enjeux est de pouvoir synthétiser les informations fournies par les différentes techniques. Pour cela, il faut d’une part pouvoir dresser une cartographie fiable du cerveau et d’autre part utiliser ces cartes pour la synthèse. En effet, il n’est par exemple pas du tout immédiat de faire correspondre un point d’une image prise par IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) à un point d’une image du même patient obtenue par scanner par exemple. Pour ce faire, on voudrait pouvoir utiliser un atlas du cerveau. Le premier a été réalisé dans les années 1950 sur des planches de papier par le médecin psychiatre et neurochirurgien Jean Talairach. Cette première cartographie manquait pourtant de précision et ne permettait pas d’appréhender la grande variété anatomique qu’on observe en pratique d’un patient à un autre.

Il existe aujourd’hui un atlas numérique de l’anatomie du cerveau à l’usage des neurochirurgiens, élaboré grâce aux techniques d’imagerie médicale. Pour permettre une comparaison entre l’image informatique de référence et tout patient réel, l’atlas numérique prend en compte une faible erreur sur les coordonnées “ $(x,y,z)$ ” d’un point du cerveau du patient. Ces techniques de positionnement dites « floues » s’appuient sur le concept de logique floue, qui est une extension de la logique classique, une branche des mathématiques et de l’informatique. On peut ainsi proposer une modélisation du cerveau beaucoup plus flexible. Ce positionnement « flou » réalisé, on exploite un modèle de transformations élastiques minimisant certaines déformations géométriques afin de superposer à l’atlas n’importe quel cerveau. Ceci conduit à réaliser un grand nombre de calculs matriciels et l’outil informatique est alors central.

Une nouvelle théorie et technique, liant mathématiques et informatique, s’est développée depuis les années 1960 : la morphologie mathématique. Il s’agit d’une branche des mathématiques qui permet d’analyser des structures et qui a des liens avec l’algèbre, la théorie des treillis, la topologie et les probabilités. Les problèmes de traitement d’images constituent son principal champ d’application. En particulier cette théorie fournit les outils de filtrage, segmentation, et quantification qui permettent l’amélioration de la qualité des images, en éliminant les parasites liés aux instruments de mesure, ou encore de mettre en valeur certains détails spécifiques.

Brève rédigée par Aboubacar Marcos (Univ. d’Abomey-Calavi).

Pour en savoir plus :

Brève Ouvrir le corps sans laisser de trace.
Les mathématiques appliquées à l’imagerie médicale: SCIENCES OUEST la revue de l’espace des sciences, Rennes, Bretagne.
« Un atlas du cerveau sur Internet » article paru sur La Recherche.
La thèse d’Oliver Commowick : « Création et Utilisation d’Atlas Anatomiques Numériques pour la Radiothérapie ».
Une présentation du projet ERC de Nicholas Ayache : le patient numérique personnalisé et la page de l’équipe Asclepios.
« Focus Le cerveau » concernant divers aspects de la recherche au CNRS sur le cerveau.
« Rencontre du cerveau type » article paru sur Libération.