Les procédés modernes d'imagerie par résonance magnétique permettent non seulement une représentation à haute résolution des structures cérébrales, mais aussi une représentation imagée de la connectivité, c'est-à-dire des connexions de fibres entre les différentes zones du cerveau. Ceci est particulièrement important lors de la planification d'opérations qui ont lieu à proximité de connexions de fibres critiques telles que les voies visuelles ou les voies motrices. Dans le service de neurochirurgie de l'Inselspital, le Fiber Tracking est utilisé lors d'opérations spéciales afin de garantir une sécurité maximale pour les patients et le meilleur résultat possible après l'opération.
Comment la technologie de suivi par fibre optique a-t-elle été développée?
Le fiber tracking ou l'imagerie par tenseur de diffusion désigne la visualisation des faisceaux de fibres qui relient les centres fonctionnels du cerveau (par ex. la production motrice du langage et la compréhension du langage). On peut soit intégrer cette visualisation dans la planification préopératoire de l'accès, soit l'afficher directement dans le microscope opératoire du chirurgien pendant l'opération.
Les débuts dans les années 80
Les premières publications sur l'imagerie par tenseur de diffusion ont eu lieu dès les années 80 *, *. Depuis, la technologie n'a cessé d'être améliorée.
Le procédé utilise un effet que l'eau courante exerce sur l'imagerie par résonance magnétique nucléaire. Dans un verre d'eau, par exemple, l'eau peut s'écouler uniformément dans toutes les directions. Il n'y a pas de préférence pour une direction particulière. Lors d'une IRM du verre d'eau, on pourrait ainsi mesurer en tout point ce que l'on appelle une «isotropie», c'est-à-dire une indépendance directionnelle. Dans le cerveau, l'eau se trouve d'une part dans les vaisseaux sanguins, d'autre part dans les tissus à l'intérieur des cellules nerveuses et des cellules du tissu conjonctif qui les entourent. Dans les grands faisceaux de fibres, l'eau s'écoule de préférence dans le sens des fibres. On parle d'une «anisotropie focale», c'est-à-dire d'une dépendance directionnelle. Celle-ci peut être déterminée pour chaque point du cerveau par des mesures spéciales en imagerie par résonance magnétique et est décrite par un «vecteur propre».
Développement de la méthode
Le code couleur présenté pour la première fois en 1999 par Sinisa Pajevic et Carlo Pierpaoli, dans lequel les fibres dans le sens tête-pied sont représentées en bleu, les fibres dans le sens gauche-droite en rouge et les fibres dans le sens avant-arrière en vert, a constitué un perfectionnement de la méthode *. Cela a permis, par exemple, de représenter la voie pyramidale sous la forme d'une forte structure bleu foncé, qui relie les cellules nerveuses du manteau cérébral à la moelle épinière, ce qui est essentiel pour le mouvement des bras et des jambes, entre autres.
Modernes High Definition Fiber Tracking Suivi moderne par fibre optique haute définition
Malgré ces progrès, des restrictions subsistaient en matière de résolution d'imagerie. En 2012, la technologie High Definition Fiber Tracking (HDFT) a été développée sur la base de l'ancienne technologie *, ce qui a permis de représenter correctement, à quelques exceptions près, les connexions fibreuses qui se croisent et de déterminer avec plus de précision le point d'origine et le point de destination de la connexion fibreuse. Pour les applications neurochirurgicales actuelles, ce nouveau procédé a ouvert des possibilités fondamentales dans la planification des opérations, car le suivi des fibres en haute définition permet désormais de représenter avec précision le trajet exact des nerfs crâniens, ce qui n'était possible que de manière limitée jusqu'à présent *. De même, cette nouvelle méthode permet désormais de représenter avec précision des faisceaux de fibres importants, comme par exemple les voies visuelles.
Comment le Fiber Tracking est-il utilisé à l'Inselspital?
Lorsque des tumeurs cérébrales se trouvent à proximité de voies fonctionnelles, nous utilisons le Fiber Tracking de manière standard lors de la planification de nos opérations. Cela concerne surtout les tumeurs proches des centres du langage, de la vision ou du mouvement. Avant l'opération, la visualisation des voies est établie individuellement pour chaque patient et l'accès à la tumeur est planifié en conséquence.
L'objectif est de procéder à une ablation radicale, même pour les tumeurs situées dans des zones fonctionnelles importantes du cerveau. En combinaison avec les procédés de neurophysiologie peropératoire, nous obtenons ainsi pour nos patients une radicalité maximale avec une invasivité minimale et un maintien fonctionnel important.
La planification se base sur des données calculées par ordinateur, qui peuvent en principe être influencées par des erreurs techniques. De plus, la résolution de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est limitée, de sorte qu'il n'est pas possible d'examiner des nerfs individuels, mais seulement des faisceaux de plusieurs milliers de fibres nerveuses ensemble. Malgré les techniques d'imagerie modernes, telles que le suivi des fibres en haute définition, des ruptures inattendues des fibres reconstruites continuent de se produire aux points de croisement et au niveau des fibres qui changent de direction dans un espace restreint. Il revient à un spécialiste de trouver les fibres pertinentes, de vérifier leur plausibilité et de les préparer pour les utiliser dans la planification des opérations.
Pour que les opérations soient encore plus sûres pour les patients à l'avenir, la recherche et le développement de techniques innovantes comme le Fiber Tracking constituent un axe de recherche à part entière chez nous à l'Inselspital.
Le Fiber Tracking dans l'application clinique
- Planification des Fiber Tracks
Lorsqu'une opération doit avoir lieu à l'aide du Fiber Tracking, les séquences DTI spécialement nécessaires ainsi que les séquences d'images pondérées en T2 sont créées et assemblées au préalable dans une IRM de 3 Tesla. Les artefacts (artefacts de courant d'Eddy et artefacts de mouvement) sont automatiquement éliminés au moyen d'un algorithme automatique. Pour calculer les faisceaux de fibres souhaités, une région d'intérêt (ROI) est placée sur les points de repère anatomiques pertinents dans l'imagerie IRM pondérée en T2. En outre, on choisit les paramètres pour l'anisotropie fractionnelle et la longueur des faisceaux de fibres.
Par exemple, pour calculer la trajectoire pyramidale, les régions d'intérêt sont tracées le long des repères anatomiques d'imagerie de la trajectoire pyramidale sur les images pondérées en T2 : Gyrus précentral, Capsula interna ainsi que des parties du pédoncule cérébral. En choisissant correctement les paramètres de réglage, on obtient un faisceau de fibres homogène qui représente le tracé de la voie pyramidale.
Regions of Interest (ROI). In T2-gewichteten MRI-Bildern werden die Regions of Interest (ROI) zur Berechnung der Pyramidenbahn markiert. Die Pyramidenbahn (Tractus corticospinalis) nimmt ihren Ursprung im Gyrus precentralis (linkes Bild) und verläuft über das Crus cerebri (rechtes Bild) in das Rückenmark. Bild: Nowacki et. al. 2018, JNS - Le Fiber Tracking en chirurgie tumorale
Si une tumeur se trouve à proximité d'un faisceau de fibres important, le Fiber Tracking est nécessaire pour garantir une sécurité maximale au patient. Souvent, les limites entre le tissu cérébral sain et le tissu tumoral ne peuvent pas être clairement délimitées. Le tracé exact des faisceaux de fibres par rapport à la tumeur fournit alors au chirurgien des informations supplémentaires importantes qui ne sont pas visibles de cette manière avec les yeux.
En combinaison avec d'autres techniques telles que le neuromonitoring peropératoire, le chirurgien dispose de plusieurs possibilités pour s'assurer qu'aucune structure critique n'est endommagée pendant l'opération. En particulier, les connexions fibreuses nécessaires aux fonctions humaines de base telles que la parole, la vision et le mouvement sont protégées à grands frais contre les dommages involontaires pendant l'opération de la tumeur.
Tumorchirurgie. (Links) Der zu entfernende Tumor (T) liegt in unmittelbarer Nähe zum Fasciculus arcuatus (AF). Das mittlere Bild zeigt die sogenannten Voxels of Interest (VOI), welche zur Berechnung des Faserbündels herangezogen wurden. Rechts zeigt sich der Verlauf des Fasciculus arcuatus mit dem Broca-Zentrum (B) und dem Wernicke-Areal (W) am jeweiligen Ende des Faserbündels. Bild: Stieglitz et. al. 2012, Neurosurgery 
Eloquente Areale. Diese Abbildung zeigt einen Tumor (orange) inmitten funktionell wichtiger Areale: Tractus corticospinalis (blau), Tractus opticus (gelb) und Fasciculus arcuatus (grün) Bild: Universitätsklinik für Neurochirurgie, Inselspital Bern © CC BY-NC 4.0 
Kortikospinaler Trakt. Der kortikospinale Trakt (gelb und blau) ist hier als Faserbahn der motorischen Funktion in Relation zu einem Tumor (orange) dargestellt. Bild: Universitätsklinik für Neurochirurgie, Inselspital Bern © CC BY-NC 4.0 
Sehbahn. Diese Abbildung verdeutlicht, wie die Sehbahn (tractus opticus, grün) um das Ventrikelsystem (lila) herum verläuft. Bild: Universitätsklinik für Neurochirurgie, Inselspital Bern © CC BY-NC 4.0 - Fiber tracking pour la stimulation cérébrale profonde
Fiber Tracking dans le tremblement essentiel
Dans le cas du tremblement essentiel, nous utilisons le Fiber Tracking pour visualiser le tractus dentatorubothalamique (DRTT) afin de planifier la stimulation des voies fonctionnelles. Le Fiber Tracking complète ici la planification traditionnelle, purement anatomique. La voie dento-sous-thalamique (DRTT) se trouve dans l'aire sous-thalamique postérieure (PSA) et constitue l'un des points cibles de la stimulation cérébrale profonde (SCP) pour le traitement du tremblement essentiel *. La localisation exacte est indispensable lors de la planification de l'opération afin de permettre une stimulation précise du tractus. Grâce au Fiber Tracking, il est possible de visualiser le tractus et de déterminer de manière optimale les points cibles pour l'implantation des électrodes SCP.
Tiefe Hirnstimulation bei Tremorerkrankung. Das linke Bild zeigt die Visualisierung des dentatorubrothalamischen Trakts zur Planung der korrekten Elektrodenimplantation (rot) bei einer tiefen Hirnstimulation. Das rechte Bild zeigt die exakte Ziellokalisation, damit die Stimulation direkt neben dem DRTT stattfinden kann. Bild: Universitätsklinik für Neurochirurgie, Inselspital Bern © CC BY-NC 4.0 Fibre tracking en cas de dépression
Tiefe Hirnstimulation bei Depressionen. Auf dem linken Bild ist eine 3D-Rekonstruktion des rechten (rot) und linken (grün) medialen Vorderhirnbündels dargestellt. Auf dem rechten Bild sind die Zielpunkte für die Elektrodenplatzierung vor der Tiefen Hirnstimulation als weisse Punkte markiert. Bild: Fenoy et. al. 2016, J Affect Disord Un autre domaine d'application clinique pour le Fiber Tracking à l'Inselspital est la thérapie par stimulation cérébrale profonde (SCP) dans les cas graves de dépression qui ne répondent pas à la thérapie habituelle. Des études médicales ont montré que la stimulation de la partie superolatérale du faisceau cérébral antérieur médian avait un effet thérapeutique positif dans les dépressions réfractaires *. Afin d'identifier correctement le faisceau de fibres et de déterminer les coordonnées de la cible pour la SCP, il est nécessaire de procéder à un suivi des fibres avant l'intervention.
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