Modélisation de la microcirculation sanguine cérébrale : état de l'art et perspectives

Abstract

La microcirculation cérébrale joue un rôle central dans le fonctionnement cérébral, non seulement en alimentant les neurones en oxygène et nutriments, mais aussi en régulant le débit sanguin en fonction de l'activité neuronale. Ce couplage entre activité neuronale et hémodynamique est à la base des techniques d'imagerie fonctionnelles cérébrales, dites hémodynamiques, telle que l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle et la Tomographie à Emission de Positons. La compréhension des relations structure/fonction dans la microcirculation sanguine cérébrale est donc un enjeu majeur à la fois pour la prédiction des conséquences d'anomalies vasculaires (occlusions, dégénérescence des vaisseaux…) et le développement d'outils quantitatifs de diagnostic/suivi des pathologies associées à ces anomalies. Dans ce contexte, les approches de modélisation jouent un rôle croissant. Au niveau international, plusieurs équipes ont, dans la dernière décennie, acquis des bases de données anatomiques permettant de segmenter, dans de larges volumes (~ 1 à 10 mm3) et avec une très grande résolution spatiale (<10 µm), l'ensemble des vaisseaux du cortex cérébral. Mais, à notre connaissance, une seule dispose de données acquises chez l'homme (INSERM U825). Ces données nous ont permis de montrer, à l'aide d'outils quantitatifs de caractérisation multi-échelle, que le réseau vasculaire cérébral est la superposition de deux types de structures : une structure capillaire maillée, homogène au-dessus d’une longueur de coupure correspondant à la longueur caractéristique des vaisseaux capillaires (~50 µm), et des structures arborescentes fractales, composées des artères et des veines. Cette organisation duale est compatible avec les fonctions de distribution et d'échange de la microcirculation cérébrale. S'appuyant sur ces résultats, les écoulements sanguins et les transferts sont étudiés à différentes échelles à l'aide d'approches inspirées de méthodologies développées pour l'étude d'écoulements multiphasiques ou réactifs en milieux poreux. Ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes pour l'étude des conséquences fonctionnelles des anomalies vasculaires observées dans diverses pathologies et pour l'optimisation des outils de diagnostic et des stratégies thérapeutiques associés.