Démasquer les signes avant-coureurs de la maladie d’Alzheimer avec des empreintes digitales cérébrales individualisées

Des neuroscientifiques de l’Université médicale de Caroline du Sud utilisent une nouvelle technique d’imagerie cérébrale pour visualiser les changements cérébraux subtils chez les patients pré-symptomatiques.

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Des neuroscientifiques de l’Université médicale de Caroline du Sud (MUSC) rapportent dans la revue Connectivité cérébrale qu’ils ont détecté des différences subtiles dans le fonctionnement du cerveau chez les personnes âgées atteintes de la maladie d’Alzheimer (MA) préclinique.

Les adultes atteints de MA préclinique présentent les premiers signes de la maladie, tels que l’accumulation de protéines bêta-amyloïdes dans leur cerveau. Cependant, ils ne présentent aucun symptôme perceptible de déclin cognitif.

“En utilisant ces cartes individualisées de la fonction cérébrale, nous avons trouvé une raison potentielle basée sur le cerveau pour des changements cognitifs très subtils dans cette phase précoce de la maladie.” — Dr. Andréa Benitez

L’équipe de recherche, dirigée par Andreana Benitez, Ph.D., et Stephanie Fountain-Zaragoza, Ph.D., a utilisé une nouvelle technique d’analyse d’imagerie cérébrale pour construire des cartes individualisées de la fonction cérébrale. Ils ont ensuite cherché à savoir s’il existait des liens entre des modifications subtiles de la fonction cérébrale et une baisse des performances cognitives, évaluées à l’aide de tests basés sur le comportement. Cette approche pourrait améliorer la capacité d’étudier la phase préclinique de la MA.

“Des études antérieures n’ont pas trouvé d’association entre la fonction cérébrale et le comportement dans la MA préclinique”, a déclaré Benitez. “En utilisant ces cartes individualisées de la fonction cérébrale, nous avons trouvé une raison potentielle basée sur le cerveau pour des changements cognitifs très subtils dans cette phase précoce de la maladie.”

Détecter des changements subtils dans la fonction cérébrale grâce à une cartographie cérébrale améliorée

La recherche sur la phase préclinique de la MA pourrait nous aider à comprendre comment la maladie débute et progresse. Cependant, les premiers changements dans la fonction cérébrale sont très subtils, ce qui les rend difficiles à étudier. Grâce au financement d’un projet pilote du South Carolina Clinical & Translational Research Institute, les chercheurs du MUSC ont utilisé une nouvelle forme de cartographie cérébrale pour détecter ces effets subtils.

Ils ont examiné l’activité cérébrale à l’aide d’un connectome fonctionnel – un type de carte cérébrale qui mesure la façon dont différentes régions du cerveau communiquent entre elles. Considérez le cerveau comme une grande ville, a déclaré Fountain-Saragosse, où les régions du cerveau sont regroupées dans des quartiers reliés par des autoroutes. Le connectome fonctionnel, c’est comme regarder l’activité à travers cette ville – combien il se passe dans chaque quartier et à quel point le trafic circule entre eux.

Des réseaux fonctionnels individualisés, créés en cartographiant un atlas au niveau de la population sur le cerveau de chaque participant, ont été utilisés pour détecter les changements précoces liés à la maladie d’Alzheimer dans la fonction cérébrale et la cognition. Crédit : Université médicale de Caroline du Sud, Dr Stephanie Fountain-Zaragoza

Les chercheurs se sont appuyés sur une forme d’analyse d’image plus récente et très sensible pour apprécier le fonctionnement de ces quartiers chez les individus. La technique – le connectome fonctionnel individualisé – a été développée par leur collaborateur Hesheng Liu, Ph.D.

Les connectomes fonctionnels traditionnels utilisent une moyenne du cerveau de nombreuses personnes comme carte des régions cérébrales fonctionnelles. En revanche, la méthode de Liu peut montrer les modèles uniques de fonction cérébrale pour chaque individu.

“Nous avons tous les mêmes parties fonctionnelles de notre cerveau, mais elles sont positionnées légèrement différemment, un peu comme une empreinte digitale”, a déclaré Fountain-Zaragoza. “Cette méthode crée une empreinte cérébrale individualisée qui reflète plus précisément où se trouvent les différentes régions fonctionnelles dans le cerveau de chaque individu.”

Relier les changements subtils de la fonction cérébrale au comportement

Les chercheurs ont utilisé cette nouvelle technique d’empreintes cérébrales pour rechercher des changements subtils dans la fonction cérébrale chez 149 participants âgés de 45 à 85 ans sans signes de déclin cognitif. Tous les participants ont subi des scans TEP de leur cerveau et ont été divisés en deux groupes – ceux avec et sans preuve TEP d’une accumulation précoce de protéine bêta-amyloïde. Les participants ont également subi des examens IRM, qui ont été utilisés pour générer les empreintes digitales du cerveau.

“Cette méthode crée une empreinte cérébrale individualisée qui reflète plus précisément où se trouvent les différentes régions fonctionnelles dans le cerveau de chaque individu.” — Dr. Stephanie Fountain-Saragosse

Les chercheurs ont ensuite testé la performance des participants de chaque groupe sur des tests de traitement de l’information basés sur le comportement. Ils ont découvert que certains changements dans l’empreinte cérébrale étaient associés à un traitement de l’information moins bon chez les participants présentant une accumulation de bêta-amyloïde ou une maladie d’Alzheimer préclinique.

Chez les participants atteints de MA préclinique, le traitement de l’information était pire chez ceux qui avaient une connectivité inter-réseaux supérieure à la normale ou trop d’activité sur les autoroutes du cerveau. En revanche, le traitement de l’information était meilleur chez ceux qui avaient une connectivité intra-réseau plus élevée ou plus d’activité cérébrale dans des quartiers importants du cerveau.

“Un cerveau sain a généralement un équilibre de connectivité au sein et entre ses réseaux”, a déclaré Fountain-Zaragoza. “Nous avons constaté que dans la MA préclinique – lorsque l’accumulation d’amyloïde est présente dans le cerveau – cet équilibre peut être perturbé, ce qui peut conduire à ce que les informations ne soient plus traitées aussi efficacement.”

Les neuroscientifiques de l’Université médicale de Caroline du Sud, la Dre Andreana Benitez (au fond) et la Dre Stephanie Fountain-Garagoza (devant), discutent d’un résultat de neuroimagerie. Crédit : Sarah Pack, Université médicale de Caroline du Sud

Ce que l’étude nous apprend

L’étude montre que les connectomes fonctionnels individualisés peuvent détecter des variations subtiles de la fonction cérébrale qui pourraient être manquées avec d’autres techniques d’analyse d’imagerie cérébrale conventionnelles.

Cela suggère également que les premiers stades de l’accumulation de bêta-amyloïde pourraient affecter la fonction des réseaux cérébraux avant même que les symptômes de déclin cognitif ne deviennent perceptibles.

Enfin, il révèle que les changements de connectivité au sein et entre des réseaux cérébraux spécifiques peuvent indiquer des problèmes précoces de traitement de l’information. Ce déséquilibre de connectivité pourrait donc être une bonne cible pour les thérapies visant à améliorer les résultats pour les patients atteints de MA.

Prochaines étapes

Grâce au renouvellement des subventions de l’Institut national du vieillissement, Benitez et Fountain-Zaragoza prévoient de poursuivre leurs travaux sur la MA préclinique. Ils espèrent se concentrer davantage sur la mesure dans laquelle les changements cérébraux affectent la progression de la maladie et explorer également de nouveaux traitements, tels que la stimulation cérébrale, qui peuvent aider à la ralentir.

“Il y a beaucoup d’excellents travaux visant à nous aider à comprendre les premiers signes et symptômes de la maladie d’Alzheimer”, a déclaré Fountain-Zaragoza. “Ce domaine de travail est important pour comprendre le spectre complet de la maladie et identifier qui pourrait être à risque de la développer.”

Référence : “Functional Network Alterations Associated with Cognition in Pre-Clinical Alzheimer’s Disease” par Stephanie Fountain-Zaragoza, Hesheng Liu et Andreana Benitez, 17 mars 2023, Connectivité cérébrale.
DOI : 10.1089/brain.2022.0032

Financement : NIH/National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS), NIH/National Institute on Aging