Diffusion dans le cerveau : isotropie et anisotropie

Les molécules d'eau se déplacent dans les tissus du cerveau pendant des périodes de diffusion de 50-100 ms, en moyenne sur une distance de près de 1-15 µm, en rebondissant, en traversant ou en interagissant avec des nombreux composants des tissus, tels que les membranes cellulaires, des fibres et des macromolécules (Voir la Figure 6). Comme le mouvement des molécules d'eau est entravé par des obstacles, la distance de diffusion réelle est réduite par rapport à celle de l'eau libre, et la distribution du déplacement n'est donc plus gaussienne. En d'autres termes, bien que la diffusion courte reflète la viscosité intrinsèque locale, les effets des obstacles prédominent à des temps de diffusion plus longs².

Figure 6 : Dans les tissus biologiques, les obstacles modulent le processus de diffusion libre. La diffusion des molécules peut être limitée dans des espaces fermés, telles que des cellules (A). La diffusion également pourrait être entravée par des obstacles, ce qui produira des voies tortueuses (B). Les échanges entre compartiments ralentissent les déplacements moléculaires (C) (LE BIHAN (2003). Modifié)².

Dans certaines régions du système nerveux central (SNC), l'intensité de diffusion est la même dans toutes les directions; ce type de diffusion est appelé isotrope. Cependant, avec la présence d'obstacles qui limitent le mouvement, la mobilité de l’eau entre les tissus ne sera pas nécessairement la même dans toutes les directions; ce type de diffusion est appelée anisotrope.

La diffusion isotrope peut être trouvée dans les espaces comme le liquide céphalo-rachidien, sauf dans les zones de grande circulation, comme les jets émanant du

foramen de Monroe ou par l'aqueduc cérébral. La substance grise du cortex cérébral chez les adultes montre aussi une diffusion isotrope.

Dans la substance blanche où l’on trouve des fibres fortement orientées de manière cohérente, la diffusion de l'eau est relativement libre dans la direction parallèle à l'orientation des fibres. A l'inverse, la diffusion de l'eau est très restreinte et entravé dans le sens perpendiculaire aux fibres¹² (Voir la Figure 7). La diffusion anisotropique dans la substance blanche provient de l'organisation spécifique des fibres axonales plus ou moins myélinisés disposés en parallèle. La diffusion dans la direction des fibres est environ 3 à 6 fois plus rapide que dans la direction perpendiculaire.

En se basant sur ce phénomène, l'observation non invasive de la diffusion de l'eau in

vivo, fournit des indicateurs spécifiques des caractéristiques structurales fines et de

l'organisation structurelle des tissus nerveux, ainsi que des changements subis lors d’une pathologie².

Figure 7 : Diffusion isotrope et anisotrope. a. Diffusion isotrope dans des liquides libres ou dans la substance grise, où il n'y a pas de préférence directionnelle. b. Diffusion de l'eau entre des faisceaux de fibres (ou d’autres structures ordonnées) où le mouvement est entravé dans certaines directions. (ROBERTS et al. (2007). Modifié)³.

Le coefficient de diffusion apparent (ADC : Apparent diffusion coefficient) est un coefficient qui reflète la restriction totale de la diffusion in vivo, car elle est indissociable d’autres sources de mobilité de l'eau, comme le transport actif, les gradients de concentration et les changements de la perméabilité des membranes⁵. Chaque pixel est de grande dimension pour un niveau microscopique et comporte un

intracellulaires et extracellulaires, lesquels seront moyennés ensemble et représentés par une seule valeur : l'ADC².

La tortuosité de la diffusion peut être augmentée par un gonflement cellulaire ou une augmentation de la densité cellulaire. A l'inverse, la nécrose, qui entraîne une dégradation des membranes cellulaires, diminue la tortuosité et augmente l'ADC.

Lorsque la diffusion est isotrope, le choix de la direction du gradient de diffusion sensibilisant n'est pas important, parce que l'ADC est identique en toutes les directions. Par contre, quand la diffusion est anisotrope, la mobilité moléculaire n'est pas égale dans toutes les directions. Dans la substance grise ou le liquide céphalo-rachidien (LCR), la diffusion des molécules d’eau est indépendante de l'orientation du tissu (isotrope). En conséquence, le calcul de l’ADC est généralement suffisant pour caractériser la diffusion. Par contre, en milieux anisotropique comme la substance blanche et le muscle squelettique et cardiaque, l'ADC dépend de l'orientation du tissu : une seule valeur d'ADC ne suffit pas pour caractériser adéquatement la mobilité de l'eau, et il est essentiel d'utiliser un tenseur symétrique, en plusieurs directions¹.

Comme les gradients de diffusion peuvent être appliqués sur n'importe quel axe de gradient, l'image résultante peut être rendue sensible aux phénomènes de diffusion dans des directions différentes. Ceci est particulièrement utile dans la caractérisation de la diffusion anisotrope, en permettant déterminer à la fois l'ampleur et l'orientation de l'anisotropie³. L'effet d'anisotropie est exploité afin de cartographier l'orientation spatiale des faisceaux de substance blanche dans le cerveau, en supposant que la direction de la diffusion rapide indique l'orientation générale des fibres².

Les cartes de diffusion peuvent être construites à partir de plus de trois directions de diffusion. Cependant, il est préférable que celles-là ne soient pas colinéaires, c’est à dire qu'elles soient dans des directions différentes et distribuées aussi largement que possible dans l'espace 3D. Cette dernière condition est satisfaite par l'orthogonalité mutuelle dans le cas des trois directions de diffusion⁵. En conséquence, l’orientation des fibres est estimée à partir de trois mesures de diffusion indépendantes au long des axes X, Y, et Z. Cependant, ces mesures ne suffisent pas. En réalité, les orientations des fibres sont presque toujours obliques par rapport aux axes. Pour trouver avec précision l'orientation des fibres, on doit mesurer la diffusion le long de milliers d'axes⁴. Pour simplifier ce problème, la notion de tenseur de diffusion a été introduite par BASSER et al. (1994)¹³. Dans ce modèle, les mesures au long des différents axes sont montés sur un ellipsoïde 3D. Les propriétés de l'ellipsoïde 3D, à savoir la longueur du plus long, moyen et court

axe (appelés eigenvalues : 1, 2 et 3) et leurs orientations (appelés eigenvecteurs : v1, v2 et v3) peuvent être définies par six paramètres (Voir la Figure 8). Les mesures d'ADC le long de six axes suffisent pour calculer l'ellipsoïde. Pour convertir les résultats des mesures de diffusion vers ces six paramètres, une matrice de 3 × 3 × 3 appelé tenseur symétrique est utilisée, d'où le nom de « Imagerie par Tenseur de Diffusion »⁴.