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Nawal Kinany spent eight years on a blur. Her subject was not the moon but the human spinal cord, and the faint, noisy signal that functional magnetic resonance imaging, or fMRI, picks up from it. The picture she helped sharpen now guides treatments for paralysis, and it may soon do the same for stroke and Parkinson's.
Nawal Kinany a passé huit ans sur un flou. Son sujet n'était pas la Lune mais la moelle épinière humaine, et le signal faible et bruité que l'IRM fonctionnelle (fMRI) en capte. L'image qu'elle a contribué à affiner guide aujourd'hui des traitements contre la paralysie, et elle pourrait bientôt en faire autant pour l'AVC et la maladie de Parkinson.
fMRI does not see neurons fire. It tracks the rush of oxygen-rich blood that follows their activity, a few seconds late, with one snapshot every two or three seconds. In the brain, that is enough to show where activity happens and how it shifts. In the spinal cord, a structure barely a centimeter across, every heartbeat and every breath adds noise that can drown the signal entirely. Dimitri Van De Ville, who heads EPFL's Medical Image Processing Laboratory, has built his career on the mathematics that pull activity out of that noise.
L'IRM fonctionnelle ne voit pas les neurones s'activer. Elle suit l'afflux de sang riche en oxygène qui accompagne leur activité, avec quelques secondes de retard, en prenant une image toutes les deux ou trois secondes. Dans le cerveau, cela suffit pour montrer où l'activité se produit et comment elle se déplace. Dans la moelle épinière, une structure large d'à peine un centimètre, chaque battement de cœur et chaque respiration ajoute du bruit capable de noyer complètement le signal. Dimitri Van De Ville, qui dirige le Laboratoire de traitement d'images médicales de l'EPFL, a construit sa carrière sur les mathématiques permettant d'extraire cette activité du bruit.
The project began in 2016, when Kinany was splitting her doctoral work between two EPFL labs at Campus Biotech in Geneva. Her team recorded brain activity, muscles and movements in people paralyzed after a stroke, and something seemed to be missing between them. 'We realized that there was kind of the missing link between all of this, which was the spinal cord,' she says. Colleagues were not convinced. 'The spinal cord is a tube,' they told her.
Le projet a débuté en 2016, alors que Kinany partageait sa thèse entre deux laboratoires de l'EPFL sur le campus Biotech de Genève. Son équipe enregistrait l'activité cérébrale, musculaire et les mouvements de personnes paralysées après un AVC, et il semblait manquer quelque chose entre ces éléments. « Nous avons compris qu'il existait en quelque sorte le chaînon manquant entre tout cela, à savoir la moelle épinière », explique-t-elle. Ses collègues n'étaient pas convaincus. « La moelle épinière est un tube », lui ont-ils répondu.
The new result comes from a preprint, posted before peer review, in which doctoral student Ekansh Sareen worked with Friedhelm Hummel's team. They used transcranial magnetic stimulation, or TMS, a coil held against the scalp that sends a brief magnetic pulse into the motor cortex, while imaging the spinal cords of 22 volunteers. Weak pulses lit up only the cord's sensory side. Stronger ones spread through an intermediate zone to the motor neurons that make the hand twitch. Sareen compares the cord to an information railway, where some switches change how the traffic flows. According to the team, it is the first time anyone has watched, in humans, what a pulse to the brain does in the cord.
Le nouveau résultat provient d'une prépublication, mise en ligne avant évaluation par les pairs, dans laquelle le doctorant Ekansh Sareen a travaillé avec l'équipe de Friedhelm Hummel. Ils ont utilisé la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), une bobine posée contre le cuir chevelu qui envoie une brève impulsion magnétique dans le cortex moteur, tout en imageant la moelle épinière de 22 volontaires. Les impulsions faibles n'activaient que la face sensitive de la moelle. Les plus fortes se propageaient, via une zone intermédiaire, jusqu'aux motoneurones qui font bouger la main. Sareen compare la moelle à une voie ferrée de l'information, où certains aiguillages modifient la circulation du trafic. Selon l'équipe, c'est la première fois que l'on observe chez l'humain ce que produit une impulsion envoyée au cerveau dans la moelle épinière.
None of this is a therapy yet. Every spinal cord is wired a little differently, so the nerves serving a given muscle can join the cord a segment higher or lower from one person to the next. That matters for implants: in 2022, the Lausanne center .NeuroRestore reported that three people with complete paralysis could stand and walk again with a stimulator placed on the spinal cord. The team is now bringing the imaging method to CHUV, Lausanne's university hospital, ahead of a trial in stroke. No start date for that trial is given.
Rien de tout cela n'est encore une thérapie. Chaque moelle épinière est câblée un peu différemment : les nerfs qui desservent un muscle donné peuvent rejoindre la moelle un segment plus haut ou plus bas d'une personne à l'autre. Cela compte pour les implants : en 2022, le centre lausannois .NeuroRestore annonçait que trois personnes atteintes de paralysie complète avaient pu de nouveau se tenir debout et marcher grâce à un stimulateur posé sur la moelle épinière. L'équipe apporte désormais la méthode d'imagerie au CHUV, l'hôpital universitaire de Lausanne, en vue d'un essai sur l'AVC. Aucune date de lancement de cet essai n'est communiquée.
For stroke patients, the gain would be a way to tailor rehabilitation and implants to each person's own cord rather than to an average one. For people with paralysis, it would be a finer map of which spinal circuits can be stimulated. The timeline stays open: the study is a preprint on 22 people, and the stroke trial has no announced date.
Pour les patients victimes d'un AVC, le gain serait de pouvoir adapter la rééducation et les implants à la moelle propre de chacun, plutôt qu'à une moelle moyenne. Pour les personnes paralysées, il s'agirait d'une cartographie plus fine des circuits spinaux susceptibles d'être stimulés. Le calendrier reste ouvert : l'étude est une prépublication portant sur 22 personnes, et l'essai sur l'AVC n'a pas de date annoncée.