BrainMIT

L’objectif du projet BrainMIT est de développer un outil de biopsie virtuelle capable de produire in vivo un jumeau numérique de la microstructure du tissu cérébral de tout individu sain ou pathologique à partir de données acquises en IRM pondérée en diffusion. Un tel outil d’exploration in vivo permettant de naviguer dans le tissu cérébral, de l’échelle millimétrique de l’IRM à celle microscopique des cellules, nécessite une équipe pluridisciplinaire couvrant les diverses expertises requises pour conduire à bien le projet. Le consortium BrainMIT implique donc :

1) des cliniciens (neurochirurgiens et neuroanatomistes) pour accéder à des encéphales humains post-mortem et apporter l’expertise clinique nécessaire à la construction d’un outil permettant d’améliorer leur pratique quotidienne,

2) des experts reconnus dans le domaine de la neuroimagerie, et plus particulièrement de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de l’imagerie par microscopie de coupes histologiques marquées, et

3) des experts reconnus dans le domaine de la simulation numérique, de l’intelligence artificielle (IA) et du calcul à haute performance (CHP).

Le projet sera organisé autour de quatre tâches.

1) Après une première étape d’obtention de données de référence acquises post-mortem par microscopie optique sur coupes histologiques issues de cerveaux humains marquées par immunohistochimie, il s’agira d’extraire les descripteurs clés caractérisant la microstructure du tissu cérébral à l’aide de méthodes de segmentation de cellules individuelles par intelligence artificielle (IA).

2) Les a priori micro-structurels issus de cette vérité terrain serviront, dans un second temps, à créer par simulation numérique à large échelle, des jumeaux numériques de l’organisation cellulaire du tissu cérébral ainsi que leurs signatures en IRM de diffusion par approches Monte-Carlo en exploitant les supercalculateurs nationaux.

3) Les Big Data ainsi produites permettront dans une troisième étape aux experts de l’IA de concevoir un modèle computationnel de production de jumeaux numériques de la microstructure du tissu cérébral chez l’homme à partir d’un jeu de données millimétriques d’IRM de diffusion acquis in vivo à l’échelle individuelle.

4) Enfin, l’outil BrainMIT sera validé à partir d’une cohorte de sujets âgés inscrits dans un registre de don du corps, pour lesquels les données microstructurelles inférées de l’IRM in vivo seront validées par comparaison à l’histologie après leur décès. L’outil validé exploitera ensuite des données d’IRM et de microscopie acquises dans le projet gré-à-gré PEPR-SN BrainDeepPhenotyping pour construire les jumeaux numériques du cerveau de patients atteints de pathologies neurodégénératives et neurovasculaires.

Le projet BRAINMIT révolutionnera la caractérisation des atteintes cellulaires au cours de pathologies cérébrales multiples. Il améliorera la pratique clinique et le confort du patient en proposant une biopsie virtuelle complètement non invasive, facilitant ainsi le diagnostic et le suivi longitudinal thérapeutique. Enfin, la possibilité d’accéder à de tels jumeaux numériques du cerveau d’individus à partir de simples acquisitions IRM permettra de caractériser in vivo chez un même individu l’organisation cellulaire de ses réseaux fonctionnels cérébraux, ce qui constituera une avancée majeure dans le domaine des neurosciences cognitives.