Le premier cerveau haute résolution au monde développé par une imprimante 3D
Un nouveau modèle peut faire avancer la recherche sur les maladies neurodégénératives
Dans le cadre d'un projet commun entre la TU Wien et MedUni Vienna, le premier "fantôme de cerveau" imprimé en 3D au monde a été mis au point. Ce fantôme s'inspire de la structure des fibres cérébrales et peut être imagé à l'aide d'une variante spéciale de l'Imagerie par résonance magnétique (IRMd). Une équipe scientifique dirigée par la TU Wien et MedUni Vienna vient de montrer dans une étude que ces modèles cérébraux peuvent être utilisés pour faire avancer la recherche sur les maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la sclérose en plaques. Les travaux de recherche ont été publiés dans la revue "Advanced Materials Technologies".
Franziska Chalupa-Gantner avec le fantôme cérébral dans sa main (à droite) et Aleksandr Ovsianikov (à gauche).
TU Wien
Le fantôme cérébral
MedUni Wien
L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique d'imagerie diagnostique très répandue qui sert principalement à examiner le cerveau. L'IRM permet d'examiner la structure et le fonctionnement du cerveau sans utiliser de radiations ionisantes. Une variante particulière de l'IRM, l'IRM pondérée par la diffusion (IRMd), permet également de déterminer la direction des fibres nerveuses dans le cerveau. Cependant, il est très difficile de déterminer correctement la direction des fibres nerveuses aux points de croisement des faisceaux de fibres nerveuses, car des fibres nerveuses de directions différentes se chevauchent à cet endroit. Afin d'améliorer le processus et de tester les méthodes d'analyse et d'évaluation, une équipe internationale, en collaboration avec la TU Wien et l'université de médecine de Vienne, a mis au point un "fantôme cérébral", produit grâce à un processus d'impression 3D à haute résolution.
Un cube minuscule avec des microcanaux
Les chercheurs de l'Université médicale de Vienne, experts en IRM, et de la TU Wien, experts en impression 3D, ont travaillé en étroite collaboration avec des collègues de l'Université de Zurich et du Centre médical universitaire de Hambourg-Eppendorf. En 2017, la TU Wien a mis au point une imprimante à polymérisation à deux photons qui permet une impression à plus grande échelle. Dans ce cadre, des travaux ont également été menés sur des fantômes de cerveau en tant que cas d'utilisation, en collaboration avec l'Université médicale de Vienne et l'Université de Zurich. Le brevet qui en a résulté constitue la base du fantôme cérébral qui a maintenant été développé et qui est supervisé par l'équipe de soutien à la recherche et au transfert de la TU Wien.
Visuellement, ce fantôme n'a pas grand-chose à voir avec un vrai cerveau. Il est beaucoup plus petit et a la forme d'un cube. Il contient des microcanaux extrêmement fins, remplis d'eau, de la taille d'un nerf crânien. Le diamètre de ces canaux est cinq fois plus fin qu'un cheveu humain. Afin d'imiter le fin réseau de cellules nerveuses du cerveau, l'équipe de recherche dirigée par les premiers auteurs Michael Woletz (Centre de physique médicale et d'ingénierie biomédicale, MedUni Vienne) et Franziska Chalupa-Gantner (groupe de recherche sur l'impression 3D et la biofabrication, TU Wien) a utilisé une méthode d'impression 3D plutôt inhabituelle : la polymérisation à deux photons. Cette méthode à haute résolution est principalement utilisée pour imprimer des microstructures de l'ordre du nanomètre et du micromètre, et non pour imprimer des structures tridimensionnelles de l'ordre du millimètre cube. Afin de créer des fantômes d'une taille appropriée pour l'IRMd, les chercheurs de la TU Wien ont travaillé sur la mise à l'échelle du processus d'impression 3D et sur la possibilité d'imprimer des objets plus grands avec des détails à haute résolution. L'impression 3D à grande échelle permet aux chercheurs d'obtenir de très bons modèles qui, lorsqu'ils sont examinés sous IRMd, permettent d'identifier les différentes structures nerveuses. Michael Woletz compare cette approche de l'amélioration des capacités diagnostiques de l'IRMd au fonctionnement de l'appareil photo d'un téléphone portable : "Nous constatons que les progrès les plus importants dans le domaine de la photographie avec les appareils photo des téléphones portables ne résident pas nécessairement dans de nouveaux objectifs plus performants, mais dans les logiciels qui améliorent les images capturées. La situation est similaire avec l'IRMd : en utilisant le nouveau fantôme cérébral, nous pouvons ajuster le logiciel d'analyse de manière beaucoup plus précise et ainsi améliorer la qualité des données mesurées et reconstruire l'architecture neuronale du cerveau avec plus de précision".
Le fantôme cérébral entraîne le logiciel d'analyse
La reproduction authentique des structures nerveuses caractéristiques du cerveau est donc importante pour "entraîner" le logiciel d'analyse IRMd. L'impression 3D permet de créer des modèles divers et complexes qui peuvent être modifiés et personnalisés. Les fantômes cérébraux représentent ainsi des zones du cerveau qui génèrent des signaux particulièrement complexes et sont donc difficiles à analyser, comme les voies nerveuses qui se croisent. Afin de calibrer le logiciel d'analyse, le fantôme cérébral est donc examiné par IRMd et les données mesurées sont analysées comme dans un vrai cerveau. Grâce à l'impression 3D, la conception des fantômes est connue avec précision et les résultats de l'analyse peuvent être vérifiés. La TU Wien et MedUni Vienna ont pu démontrer que cela fonctionne dans le cadre de leurs travaux de recherche conjoints. Les fantômes développés peuvent être utilisés pour améliorer l'IRMd, ce qui peut être utile à la planification des opérations et à la recherche sur les maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la sclérose en plaques.
Malgré la preuve de concept, l'équipe doit encore relever des défis. Le plus grand défi à l'heure actuelle est la mise à l'échelle de la méthode : "La haute résolution de la polymérisation à deux photons permet d'imprimer des détails de l'ordre du micro et du nanomètre et convient donc parfaitement à l'imagerie des nerfs crâniens. Toutefois, l'impression d'un cube de plusieurs centimètres cubes à l'aide de cette technique prend beaucoup de temps", explique M. Chalupa-Gantner. "C'est pourquoi nous cherchons non seulement à développer des modèles encore plus complexes, mais aussi à optimiser le processus d'impression lui-même.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Michael Woletz, Franziska Chalupa‐Gantner, Benedikt Hager, Alexander Ricke, Siawoosh Mohammadi, Stefan Binder, Stefan Baudis, Aleksandr Ovsianikov, Christian Windischberger, Zoltan Nagy; "Toward Printing the Brain: A Microstructural Ground Truth Phantom for MRI"; Advanced Materials Technologies, Volume 9, 2024-1-7
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