FIGURE2-1: Spectres localisés des métabolites du cerveau du rat acquis à des TE différents (figure extraite de [DeGraaf, 1998]).
2.2 Métabolites cérébraux détectables à TE court
L’apparence des spectres dépend du temps d’écho et des temps de relaxation (voir figure 2-1). L’amplitude des pics détectés décroît avec l’augmentation du TE sous l’effet du couplage scalaire fort et de la relaxation transversale. La spectroscopie du proton à TE court permet de détecter les métabolites ayant un couplage scalaire fort et des temps de relaxation T2courts.
FIGURE2-2: Concentration des métabolites dans le cerveau humain. Les concentrations correspon-dant à la créatine (tCr) et à la choline (tCho) représentent la contribution de tous les composants qui les contiennent (voir les sections 2.2.3 et 2.2.2) (Tableau extrait de [McLean et al., 2000]). La concentration des différents métabolites ainsi que leurs temps de relaxation (T1 et T2) varient d’une région à une autre du cerveau (voir les figures 2-2 et 2-3). La concentration des métabolites évolue avec l’âge. Elle varie de manière particulièrement importante chez les bébés. Dans notre étude, nous ne nous intéressons qu’aux adultes [McLean et al., 2000]. Les temps de relaxation varient entre la matière grise, la matière blanche et le liquide céphalorachidien (LCR) [Posse et al., 2007]. L’étude de la variation des temps de relaxation sur l’ensemble du cerveau est compliquée par les effets du volume partiel, particulièrement en présence de pathologies.
Dans la section suivante, nous décrirons les caractéristiques (couplage J et déplacement chimique) et le rôle (synthèse membranaire, métabolisme énergétique et neurotransmission) des principaux métabolites détectables à TE court dans le cerveau humain ([DeGraaf, 1998], [Barker P. B., 2006]).
2.2 Métabolites cérébraux détectables à TE court
FIGURE2-3: Tableau des temps de relaxation longitudinale (T1) et transversale (T2) des métabolites du cerveau humain (tCho : composants contenant la choline ; Cr : créatine ; PCr : phosphocréatine ; Glu : glutamate ; Gln : glutamine ; NAA : N-Acetyl Aspartate ; NAAG : N-Acetyl Aspartyl Gluta-mate ; MM09, MM12, MM2 sont des raie correspondant à des macromolécules située à 0,9 ppm, 1,2 ppm et 2,0 ppm, respectivement). Ce tableau est extrait de [Posse et al., 2007].
2.2.1 N-Acetyl Aspartate et N-Acetyl Aspartyl Glutamate
Le N-Acetyl Aspartate (NAA) est parmi les acides aminés les plus abondants dans les neurones. Le pic le plus important dans le spectre d’un cerveau humain sain, indépendamment du TE, provient du singulet correspondant au groupe méthyle du NAA ayant un déplacement chimique de 2,01 ppm [Govindaraju et al., 2000]. Les autres protons du NAA sont fortement couplés (doublet de doublets) et les amplitudes de leurs pics dépendent du TE. Ils résonnent à 2,49 ppm, à 2,67 ppm et à 4,38 ppm. La fonction exacte du NAA reste encore inconnue. Il est considéré comme un marqueur neuronal puisque sa présence est restreinte aux systèmes nerveux central et périphérique. Sa concentration dans la matière grise (v 8 − 11 mM) est plus élevée que dans la matière blanche (v 6 − 9 mM). La diminution de sa concentration est corrélée à la présence de pathologies qui induisent une baisse de la densité neuronale comme les tumeurs cérébrales et la sclérose en plaques.
Le N-Acetyl Aspartyl Glutamate (NAAG) est également présent dans les cellules neuronales. Il a une concentration comprise entre 0,6 mM et 3 mM. Sa fonction exacte n’est pas clairement établie. Il est supposé être impliqué dans la neurotransmission et comme source de glutamate. Sa concentration est localement altérée dans le cas de maladies neuropsychiatriques [Govindaraju et al., 2000]. La résonance la plus importante du NAAG est située à 2,04 ppm. Il est difficile de distinguer ce pic de celui du méthyle du NAA, sauf dans le cas d’une très bonne homogénéité du champ magnétique et à haut champ. Le chevauchement de ces deux résonances avec d’autres comme le glutamate (2,04 ppm) et le GABA (1,91 ppm) complique leur quantification.
2.2.2 Créatine et phosphocréatine
Les protons du méthyle et du méthylène de la créatine (Cr) et de la phosphocréatine (PCr) résonnent sous forme de deux singulets l’un à 3,03 ppm et l’autre à 3,93 ppm. Les déplacements chimiques
2.2 Métabolites cérébraux détectables à TE court
des protons de la créatine et de la phosphocréatine sont tellement proches qu’on ne peut pas les distinguer in vivo à cause de l’élargissement des raies. Pour cette raison, on parle des pics de la créatine totale (tCr). La créatine et la phosphocréatine sont impliquées dans le métabolisme énergétique des tissus. Dans le cerveau sain, la créatine est plus présente dans la matière grise que dans la matière blanche.
2.2.3 Choline
La choline (Cho) est présente dans les tissus sains avec des concentrations inférieures à celles du NAA et de la créatine ( 1 mM). Le singulet situé à 3,22 ppm correspond à un ensemble de com-posants contenant de la choline comme la glycérophosphocholine (GPC) et la phosphocholine (PC) et une petite contribution de la choline elle-même. Il existe deux triplets correspondant à la cho-line, situés à 3,54 ppm et à 4,05 ppm. Ils sont moins importants que le singulet et se superposent à d’autres pics. Ces composants sont impliqués dans les processus de synthèse et de dégradation des membranes cellulaires. L’augmentation de leur concentration est associée aux anomalies im-pliquant une augmentation de l’activité membranaire, comme c’est le cas dans les tumeurs.
2.2.4 Glutamate et glutamine
Le glutamate (Glu) et la glutamine (Gln) ont un rôle très important dans le métabolisme cérébral. Le glutamate est le neurotransmetteur le plus dominant dans le cerveau. Les protons du glutamate comme ceux de la glutamine sont fortement couplés. Leurs spectres dépendent fortement du champ magnétique et du TE. Bien que le glutamate soit présent avec une concentration comparable à celle du NAA (~ 8 mM), il est plus difficile à distinguer et à quantifier en spectroscopie par RMN du proton (résonances fortement couplées multiples). La concentration de la glutamine est plus faible (~ 2 mM). Le glutamate possède un doublet de doublets à 3,74 ppm et des multiplets à 2,04 ppm, 2,11 ppm et à 2,35 ppm. Les protons de la glutamine résonnent à 3,76 ppm sous forme de doublet de doublets et à 2,11 ppm, 2,13 ppm et 2,44 ppm sous forme de multiplets. Les résonances du glu-tamate et celles de la glutamine sont très proches les unes des autres ce qui explique la difficulté de les discerner surtout à bas champ et avec les méthodes conventionnelles. Durant la stimulation neu-ronale, le glutamate diffuse à travers les synapses où il sera capturé rapidement par les astrocytes. Ces derniers le convertissent en glutamine qui sera libérée à son tour. La glutamine est captée par les neurones qui la convertissent en glutamate et le cycle est bouclé. Le cycle glutamate-glutamine est un processus qui consomme beaucoup d’énergie.
2.2.5 Myo-inositol
L’un des pics les plus importants dans un spectre RMN du proton à TE court est celui du myo-Inositol (mI) situé à 3,54 ppm. D’autres résonances lui sont associées situées à 3,28 ppm, 3,60 ppm et 4,05 ppm. La signification de la présence du myo-Inositol dans le cerveau reste à déterminer. Des altérations de la concentration du mI ont été remarquées dans le cas de certaines pathologies. Elle diminue dans le cas de l’encéphalopathie hépatique et augmente dans le cas de la maladie d’Alzheimer [Ross and Blüml, 1996].
2.2 Métabolites cérébraux détectables à TE court
2.2.6 Lactate
Dans le cerveau humain sain, la concentration du lactate (acide lactique) est à la limite de la sen-sibilité de la spectroscopie RMN du proton (~ 1 mM) ce qui le rend difficilement détectable. Les protons du lactate (Lac) résonnent à 1,33 ppm sous forme de doublet (J = 7,3 Hz) et à 4,11 ppm sous forme d’un quadruplet [Behar and Ogino, 1991]. Ce dernier est partiellement saturé par la procédure de suppression du signal de l’eau (4,7 ppm). L’apparence du doublet du lactate dépend du TE. Il est positif (respectivement négatif) par rapport aux autres métabolites si le TE est un mul-tiple pair (respectivement impair) de 1/J. Etant donnée la largeur des raies in vivo, le lactate peut ne pas être détectable si le TE est un multiple impair de 1/2J puisque le doublet est en antiphase et son intégrale est nulle. Il faut veiller à avoir une bonne saturation du volume externe pour ne pas avoir un chevauchement entre le lactate et les lipides extracrâniens dont les déplacements chimiques sont entre 0 ppm et 2 ppm. Le lactate est un marqueur important du métabolisme anaérobique. Sa concentration augmente considérablement (~ 10 mM) dans le cas de tumeurs, d’ischémie ou d’hy-poxie cérébrales. Dans le cas des tumeurs, il est difficile de distinguer entre le doublet du lactate et les lipides mobiles et/ou les gouttelettes de lipides dans les tissus. Des méthodes spectroscopiques adéquates qui exploitent le couplage J du doublet du lactate doivent être appliquées (spectroscopie J-résolu, par exemple).
2.2.7 Macromolécules et lipides
La spectroscopie RMN peut contribuer à l’étude du métabolisme des lipides. Les domaines d’in-térêt potentiels sont la distinction entre acides gras libres pendant et après l’ischémie cérébrale et dans le cas de certains types de tumeurs. La présence de ces lipides reflèterait les dommages des membranes cellulaires. Le spectre correspondant aux macromolécules contient des pics rela-tivement larges puisque leurs temps de relaxation sont plus courts que ceux des métabolites. La présence de ces résonances complique la forme de la ligne de base des spectres. La fréquence de résonance des lipides, du lactate, des lipides extracrâniens ainsi que celle de certaines résonances des macromolécules se chevauchent entre 0 et 2 ppm environ. Une bonne saturation du volume externe et l’application de techniques spectroscopiques adéquates (à deux dimensions spectrales, d’édition spectrale) permettent de distinguer ces différentes résonances.
2.2.8 Autres métabolites
En plus des métabolites précédemment détaillés, d’autres métabolites cérébraux importants peuvent être détectés, le scyllo-Inositol, le glucose, l’alanine, l’aspartate, le GABA (γ-aminobutyric acid), la glycine, la taurine et la thréonine. L’ensemble de ces métabolites est difficilement discernable des autres avec les méthodes de spectroscopie conventionnelles à cause de leurs concentrations faibles, résolutions spectrales réduites, spectres compliqués (couplage fort) et superposition avec d’autres métabolites.