Cartographie du cerveau

Toute méthode d'imagerie cérébrale peut être considérée comme faisant partie de la cartographie du cerveau. La cartographie du cerveau peut être conçue comme une forme supérieure de la neuro-imagerie, visant à produire des images du cerveau complétées par des données additionnelles (imagerie ou non-imagerie) issues du traitement ou de l'analyse de données, comme des cartes avec une projection (une mesure) de l’activité du cerveau (voir IRMf). Un autre exemple de carte, appelée un connectogramme, montre les régions corticales représentées autour d'un cercle, organisées par lobes. Les cercles concentriques dans l'anneau représentent des mesures neurologiques effectuées communément, telle que l'épaisseur corticale ou la courbure. Dans le centre des cercles, des lignes représentant les fibres de la substance blanche qui connectent entre elles les régions corticales, pondérés par l'anisotropie fractionnelle et la force de la connexion^[1].

Les techniques de cartographie du cerveau sont en constante évolution, et reposent sur le développement et le raffinement des techniques d'acquisition d'image, de représentation, d'analyse, de visualisation et d'interprétation. La neuroimagerie fonctionnelle et structurelle est au cœur de la cartographie du cerveau.

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Le premier projet de cartographie du cerveau remonte à 1962, dans l'Ohio. Où l'hôpital d'État de Columbus a numérisé le cerveau de plus de 500 sujets à l'aide d'un électroencéphalographe à hyper-fréquence (Hyfreeg)^[3]. À la suite de quoi, un rapport détaillé sur la cartographie du cerveau a été publié par le Battelle Memorial Institute intitulé : « Une nouvelle Fenêtre dans le cerveau humain ? »^[4]. Le Journal de l'association américaine de médecine (Journal of American Medical Association - JAMA) a également publié un rapport concernant cette première cartographie du cerveau : « Est-ce que le système nerveux est axé sur l'amplitude ou la fréquence ? »^[5]. Le JAMA s'interroge : « L'un des points sur lesquels les neurologues étaient jusqu'alors d'accord, était que le système nerveux est orienté amplitude. Mais maintenant une nouvelle théorie indique exactement le contraire - que le système nerveux est effectivement orienté fréquence ». Grâce à cette première avancée de la cartographie du cerveau, les membres des équipes psychiatriques ont réussi à guérir des épilepsies, des épilepsies psychomotrices, des hallucinations, des schizophrénies. Ces résultats ont été obtenus en abaissant l'activité neuronale dans le système d'activation réticulaire situé dans le tronc cérébral. Ils ont également observé l'activité du cerveau lors des rêves et les fonctions propres à chaque hémisphère du cerveau. Ces dernières observations furent confirmées plus tard grâce à l'étude d'une patiente née avec un seul hémisphère^[6],[7].

Un livre publié par Kindle Books a été consacré à ce projet de recherche. Il décrit le projet de cartographie du cerveau original mené par le Battelle Memorial Institute, et identifie une matrice de classification comportementale et des méthodes pour la modification de la personnalité^[8].

Victor H. Fischer était le chercheur principal de l'équipe psychiatrique qui incorporait alors dix psychiatres cliniques : le D^r Paul W. Watkins MD en tant que membre du personnel psychiatrique, le D^r Calvin Baker MD, ancien commissaire du ministère de l'Ohio de l'hygiène mentale, et neurologue consultant, le colonel de l'USAF Robert F. Hood, MD, neurologue et psychiatre, et directeur de psychiatrie au Wright-Patterson Medical Center, États-Unis.

À la fin des années 1980 aux États-Unis, l'Institut de médecine de l'Académie nationale des sciences a été chargé de réunir un groupe d'experts pour enquêter sur l'utilité d'intégrer les informations neuroscientifiques à travers une variété de techniques^[9].

Pour la cartographie du cerveau humain, les techniques d'imagerie suivantes sont particulièrement importante : imagerie structurelle et fonctionnelle par résonance magnétique (IRMf), l'IRM de diffusion (IRMd), la magnétoencéphalographie (MEG), l'électroencéphalographie (EEG), la tomographie par émission de positons (TEP), la spectroscopie proche infrarouge (NIRS). Il existe également d'autres techniques non-invasives de balayage pour cartographier l'anatomie, la physiologie, la perfusion, la fonction et les phénotypes du cerveau humain. Les cerveaux sains et malades sont cartographiés pour étudier la mémoire, les mécanismes d'apprentissage, le vieillissement et les effets des drogues dans diverses populations telles que les personnes atteintes de schizophrénie, d'autisme et souffrant de dépression clinique. L'intérêt pour ces techniques a notamment abouti à la création de l'Human Brain Project^[10]. La cartographie peut également être cruciale pour la compréhension des lésions cérébrales traumatiques (comme dans le cas de Phineas Gage)^[11] et améliorer le traitement des lésions cérébrales^[12].

Après une série de réunions, le Consortium international pour la cartographie du cerveau (ICBM) a revu ses objectifs. Le nouveau but recherché est de développer des atlas flexibles du cerveau computationnels^[13].

Le 5 mai 2010, la Cour suprême de l'Inde (Smt. Selvi contre l'État du Karnataka) a déclaré la cartographie du cerveau, les détecteurs de mensonge et les narcoanalyses, inconstitutionnelles et en violation de l'article 20 (3) des droits fondamentaux. Ces techniques ne peuvent pas être employé contre le gré de toute personne physique et nécessite le consentement explicite. Quand ils sont menés avec le consentement, les résultats sont considérés comme des preuves pouvant être utilisés au cours d'un procès conformément à la section 27 de la Loi sur les preuves juridiques^[14].

En 2019, le cerveau (1 210 grammes) d'une femme de 58 ans sans antécédent neurologique ou psychiatrique, décédée en réanimation d'une pneumonie virale, et ayant fait don de son cerveau à la recherche, a été cartographié en 3D. Après fixation dans du formol puis transféré dans du Fomblin pour limiter les artéfacts magnétiques, il a été placé dans un support hermétique spécialement conçu sur mesure et pour l'imagerie IRM ex vivo, intégrant un protocole de dégazage des bulles d'air pour optimiser la qualité des images^[15]. Le cerveau a été scanné sur un IRM très puissant (7 Tesla) permettant des détails extrêmement fins (résolution de 0,1 millimètre), ce qui a demandé environ 100 heures de travail de l'IRM (7,9 To de données collectés)^[15].

En 2021, un jeu de données d'IRM de diffusion in vivo (technique d'imagerie permettant d'observer les connexions et la structure du cerveau en mesurant le déplacement des molécules d'eau dans les tissus vivants), couvrant l'ensemble du cerveau, à une résolution isotrope de 760 µm et sur 1 260 points d'échantillonnage, grâce à l'utilisation combinée d'un scanner Connectom à gradient élevé, d'une antenne réseau 64 canaux, d'un stabilisateur de tête personnalisé et de méthodes avancées de reconstruction d'image. Grace à une qualité et un rapport signal sur bruit sans précédent, ce nouveau jeu offre de larges perspectives d'applications en recherche fondamentale, en enseignement et en clinique, notamment pour l'étude des structures et de la connectivité cérébrales. Il permet aussi de tester de nouveaux modèles, algorithmes de traitement et stratégies de sous‑échantillonnage, et inclut des images anatomiques pondérées T1 et T2 à l'échelle submillimétrique ainsi que des cartes de champ^[16].

En 2024, l'IRM de diffusion a permis, de créer un connectome normatif du cerveau entier (une carte complète des connexions neuronales de la substance blanche), en espace MNI, basé sur les données multi‑shell de 985 sujets du Human Connectome Project, comprenant environ 12 millions de fibres uniques. Ce connectome, le plus vaste décrit à ce jour, permet d’analyser les perturbations des réseaux cérébraux liées à des interventions focales ou à des lésions, même en l’absence de données individuelles. D'anbord utilisé dans des études de stimulation cérébrale profonde et sur les ultrasons focalisés, il est disponible en accès libre comme outil de référence pour comprendre l’impact des perturbations locales sur la substance blanche^[17].

En 2025, alors que le cortex cérébral est encore souvent modélisé dans des atlas définis sur des systèmes de coordonnées de surface plutôt que sur des images 3D, et que la plupart des atlas volumétriques sont faits à partir de moyenne d'IRM in vivo issus sur de nombreux sujets à une résolution d'environ 1 mm (insuffisante pour étudier les sous-régions cérébrales ayant des fonctions et des connectivités différentes)^[18], l'IRM ex vivo donne une résolution bien plus précise (environ 100 μm)^{[19],[20],[21],[2]}, mais sans encore permettre de visualiser la cytoarchitecture (étudiée par l'histologie). En 2025, les jeux de données issues d'IRM ex vivo sont cependant encore souvent monomodaux et manquent de diversité ethnique.

La Nature présente en 2025 un atlas histologique probabiliste du cerveau humain (dit NextBrain), qui a commencé à pallier ces limitations via une base de données IRM multimodale complète (acquise à partir de six cerveaux humains chinois ex vivo). « Cette base de données comprenait des IRM structurelles, des IRM de diffusion à haute résolution angulaire, des cartographies de susceptibilité magnétique quantitative et des cartes T1 et T2 quantitatives, permettant une représentation multifacette de la microstructure et de la connectivité cérébrales » et des modèles multimodaux moyens pour la population ainsi que des étiquettes de segmentation ont été générés pour faciliter l'analyse des IRM cérébrales ex vivo. Cette base de données est publique^[15]. Elle offre une collection inédite d'IRM cérébrales humaines ex vivo à haute résolution et multiparamétriques, comblant le manque d'échantillons de cerveaux asiatiques dans les bases de données existantes. Développé à partir de l'alignement, par une IA d'environ 10 000 coupes histologiques issues de cinq hémisphères cérébraux, elle comprend une délimitation de 333 régions d'intérêt^[15]. Les données brutes et alignées, l'atlas, l'outil de segmentation et les délimitations de référence sont diffusés en open source, offrant aux chercheurs un instrument de précision pour l'étude du cerveau et l'amélioration de la compréhension des pathologies neurologiques ; il peut être enrichi par d'autres méthodes de segmentation, notamment pour la parcellisation corticale ou l'étude laminaire, et est compatible avec des images IRM in vivo et ex vivo à différentes résolutions. Son niveau de détail, illustré par des applications à la maladie d'Alzheimer et au vieillissement, ainsi que sa capacité à intégrer des modèles de pathologie, en font un outil prometteur pour exploiter les nouvelles modalités d'imagerie cérébrale et approfondir la compréhension du cerveau en santé ou d'une personne malade. Cette carte cytoarchitecturale tridimensionnelle est accompagné d'un outil bayésien permettant la segmentation automatique de ces régions sur des images IRM (de résolution millimétrique), outil déjà utilisé sur des applications d'IRM ex vivo à très haute résolution^[15],[22].