Les lésions (rouges) se produisent près des zones qui doivent s’étirer davantage pour s’adapter aux changements de pression du liquide céphalo-rachidien circulant. Lorsque les parois du ventricule rempli de LCR (noir) s’usent, le LCR s’infiltre dans le tissu cérébral (gris) et crée des lésions. Crédit : Stevens Institute of Technology
Des chercheurs du Stevens Institute of Technology montrent que la pression exercée sur les parois ventriculaires explique où les lésions se développent dans le cerveau vieillissant.
À mesure que notre cerveau vieillit, de petites lésions commencent à apparaître dans les faisceaux de matière blanche qui transportent des messages entre nos neurones. Les lésions peuvent endommager cette substance blanche et entraîner des déficits cognitifs. Maintenant, les chercheurs du Stevens Institute of Technology et leurs collègues fournissent non seulement une explication de l’emplacement de ces lésions, mais aussi de la façon dont elles se développent en premier lieu.
Les travaux, dirigés par Johannes Weickenmeier, professeur adjoint de génie mécanique à Stevens, soulignent l’importance de considérer le cerveau comme plus que des circuits neuronaux qui sous-tendent la formation des pensées et la création des souvenirs. C’est aussi un objet physique sujet aux problèmes et aux défaillances mécaniques. “Le cerveau est sensible à l’usure dans les zones vulnérables”, a déclaré Weickenmeier. “Surtout dans un cerveau vieillissant, nous devons examiner ses propriétés biomécaniques pour mieux comprendre comment les choses peuvent commencer à mal tourner.”
Ces lésions – connues sous le nom d’hyperintensités de substance blanche profondes et périventriculaires car elles se présentent sous la forme de taches blanches brillantes sur les IRM – sont mal comprises. Mais ils ne sont pas rares : la plupart des gens en ont au moment où ils atteignent la soixantaine, et les changements ne font qu’augmenter avec l’âge. Plus il y a de lésions qui s’accumulent et plus elles se développent rapidement, plus nous sommes sujets à des troubles cognitifs allant des problèmes de mémoire aux troubles moteurs.
À l’aide d’IRM de huit sujets sains, Weickenmeier a travaillé avec Valery Visser, maintenant doctorant à l’Université de Zurich, et Henry Rusinek, radiologue à la NYU Grossman School of Medicine, pour développer un modèle informatique individualisé du cerveau de chaque sujet. L’équipe a cartographié la tension exercée sur les parois ventriculaires, les revêtements des chambres remplies de liquide profondément dans le cerveau, sous forme d’ondes de pression pulsant à travers le liquide céphalo-rachidien du sujet, ou LCR. Ils ont découvert que les hyperintensités ont tendance à se produire près des zones qui doivent s’étirer davantage pour s’adapter aux changements de pression du LCR en circulation car, comme ces zones s’usent, le LCR peut s’infiltrer dans le cerveau et provoquer des lésions.
“La paroi cellulaire qui tapisse les ventricules s’use avec le temps, comme un ballon qui gonfle et se dégonfle à plusieurs reprises”, a déclaré Weickenmeier. “Et les contraintes ne sont pas uniformes – elles sont définies par la géométrie du ventricule, nous pouvons donc prédire où ces défaillances se produiront.”
Le modèle fournit une explication physique simple de l’emplacement de ces lésions, révélant que les charges mécaniques « doivent être un contributeur majeur à l’apparition de la maladie », a déclaré Weickenmeier.
Les recherches de l’équipe, publiées récemment dans Rapports scientifiques, a utilisé l’imagerie 2D montrant une coupe transversale du cerveau, mais l’équipe de Weickenmeier a depuis étendu ses recherches à un modèle 3D complet du cerveau. Ensuite, Weickenmeier espère utiliser les technologies d’IRM avancées développées à Stevens pour étudier directement le mouvement de la paroi ventriculaire.
Johannes Weickenmeier dans le laboratoire expérimental et computationnel de biomécanique de la matière molle au Stevens Institute of Technology. Crédit : Stevens Institute of Technology
À long terme, les résultats de l’équipe pourraient permettre le développement de nouveaux traitements pour les lésions. Normalement, les traitements pharmaceutiques ont du mal à traverser la barrière hémato-encéphalique et à atteindre les zones touchées, mais la nouvelle recherche suggère qu’il pourrait être possible de canaliser les médicaments vers les lésions directement par le biais de fuites dans la paroi ventriculaire. “C’est encore loin, et nous ne l’avons pas étudié directement”, a averti Weickenmeier. “Mais c’est une possibilité intrigante.”
La conclusion plus large de la recherche de l’équipe, a expliqué Weickenmeier, est que le processus de vieillissement du cerveau est médié par des processus physiques, y compris la pression du sang circulant et du LCR. Cela souligne la nécessité d’adopter des comportements sains – comme faire suffisamment d’exercice et éviter les substances nocives – qui peuvent réduire ces tensions sur le cerveau.
Référence : « L’étirement des cellules épendymaires du pic se chevauche avec les emplacements d’apparition des lésions de la substance blanche périventriculaire » par Valery L. Visser, Henry Rusinek et Johannes Weickenmeier, 9 novembre 2021, Rapports scientifiques.
DOI : 10.1038 / s41598-021-00610-1
