Une fraction croissante de la population des pays développés est touchéechaque année par des affections neurologiques ou psychiatriques, de trop
nombreux enfants naissent encore avec des handicaps neurologiques
majeurs.
L'espérance de vie augmente et notre pays doit faire face à une population vieillissante sujette aux maladies neurodégénératives. Des sommesénormes sont dépensées pour le traitement et la rééducation de cespatients, et leur insertion dans la société reste souvent difficile. Les bénéfices potentiels de recherches sur le cerveau pour la santé sont donc plusqu'évidents. Mais cette recherche peut aussi grandement améliorer nossociétés, en apportant, par exemple, une meilleure compréhension desprocessus de communication entre individus, des comportements collectifs ou encore une optimisation des méthodes d'apprentissage. L'interface homme-machine (conception deprothèses pour les handicapés, de robots assistantl'homme dans des cas difficiles liés à l'environnementou la maladie, maisaussi l'ergonomie descockpits ou destableaux de bord desvoitures,...) peut êtreaméliorée par nosconnaissances sur lefonctionnement céréUne thématique de recherche à forts enjeux
bral. L'enjeu est donc
Dans cette quête exploratoire, l’imagerie neurofonctionnelle a bouleconsidérable et laversé les sciences du vivant. Elle détient aujourd’hui une place unique encompréhension,
permettant l’obtention d’informations in vivo et in situ sur le fonctionmême partielle, dunement de tous les organismes vivants, et ce, de manière non traumacerveau humain constique. Non seulement elle complète, mais elle affine les données
titue l'un des défis debiologiques provenant d’autres approches (telles la biologie moléculairece siècle.

COMPRENDRELE CERVEAU
PAR L’IMAGE :et l’électrophysiologie…). Les images obtenues apportent des informations couplées à la fois d’ordre anatomique (agencement des tissus dansles organes) et fonctionnel (état métabolique, par exemple).
D’une façon générale, l’imagerie biomédicale s’est imposée au cours deces dernières années dans de nombreux domaines de la biologie et dela médecine. Elle s’est essentiellement développée dans deux directions:l’imagerie fonctionnelle cérébrale et l’imagerie moléculaire.
• L’imagerie fonctionnelle cérébrale relève de l’étude des processus
cognitifs humains, chez le sujet normal ou le patient. Elle vise à relier
fonctions cognitives supérieures (perception des objets, langage, attention, mémoire, raisonnement, action…) avec leur composante biologique, le substrat neural. La neuro-imagerie est une méthodologie
aujourd’hui devenue indispensable aux études de neurosciences cognitives. Elle permet d’appréhender les bases cérébrales impliquées dans lesprocessus cognitifs humains et ce, chez le sujet normal ou le patient.
• L’imagerie « moléculaire » s’intéresse, quant à elle, au développementd’une imagerie de l’expression des gènes. Elle permettra, à terme, detraduire l’immense gisement que constitue la connaissance du génome,
en information fonctionnelle, utilisable en physiologie, physiopathologie ou pharmacologie. Grâce à ces méthodologies, suivre, fonctionnellement et anatomiquement, le développement du cerveau d’unembryon de souris sera désormais possible. Comprendre, prévenir ou
traiter les maladies neurologiques causées par des anomalies génétiquesou acquises lors du développement cérébral constituent l’enjeu mêmede ces techniques d’imagerie.

RECONSTRUCTION 3D À PARTIR D’IMAGES IRM
OBTENUES CHEZ LE FŒTUS IN UTERO MONTRANT
LE DÉVELOPPEMENT DU PLISSEMENT CÉRÉBRAL(COLLABORATION SHFJ/HÔPITAL NECKER).
RENDU 3 D D’IMAGES IRM MICROSCOPIE
OBTENUES CHEZ L’EMBRYON DE SOURISÀ 13,5 JOURS APRÈS CONCEPTION(COURTOISIE R. JACOBS, CALTECH).

IMAGES IRM MONTRANT LES RÉGIONS CÉRÉBRALESAYANT SUBI UN INFARCTUS (COLLABORATIONSHFJ/HÔPITAL LARIBOISIÈRE)RENDU À 3 DIMENSIONS À PARTIR D’IMAGES IRM
DU CORTEX MOTEUR ET DES STRUCTURESCENTRALES, AINSI QUE DES CONNEXIONS QUILES RELIENT.

RENDU 3 D À PARTIR D’IMAGES IRM MONTRANTLES STRUCTURES IMPLIQUÉES DANS LA LECTUREDES MOTS ET LEURS CONNEXIONS.
CELLES-CI SONT INTERROMPUES CHEZ CE PATIENTPORTEUR D’UNE LÉSION DU CORPS CALLEUX.

UN GRANDINSTRUMENT POURLES NEUROSCIENCESSCANNER IRM DU SERVICE HOSPITALIERFRÉDÉRIC JOLIOT (SHFJ).

UNE INTERFACE ENTRE PHYSICIENSET NEUROBIOLOGISTES
L’originalité de NEUROSPIN est de réunir en un même lieu acteurs méthodologiques et neurobiologistes du plus haut niveau international. Environ 160 chercheurs, médecins, cliniciens, biologistes, physiciens et techniciens s’uniront pourfaire reculer les limites actuelles de l’imagerie cérébrale. Ensemble et en synergie ils développeront outils et modèles nécessaires pour mieux comprendre lefonctionnement du cerveau humain ainsi que ses anomalies de développement
et ses dysfonctionnements. Cette interface particulière entre méthodologistes,neurobiologistes et médecins constitue un environnement exceptionnel oùseront relevés les défis actuels de l’imagerie cérébrale afin de mieux comprendre le fonctionnement, le développement et le vieillissement et ainsi les maladies du cerveau humain.

L’imagerie biomédicale se heurte aujourd’hui encore à un certain nombre
de contraintes techniques qui limitent ses potentialités: les résolutions
spatiales atteintes excèdent largement l’unité fonctionnelle qui sous-tendl’activité cérébrale, le neurone; les résolutions temporelles sont en général voisines de la seconde quand la milliseconde serait plus représentative
des processus mis en jeu; les paramètres visualisés (débit sanguin) ne sontque le reflet indirect du fonctionnement des neurones.
Pour dépasser ces obstacles et repousser à l’extrême les limites actuelles de l’imagerie, le CEA s’engage dans la construction d’un plateautechnique où seront développés et utilisés des outils d’imagerie d’une
puissance à ce jour inégalée. La technique physique privilégiée est la
Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).
La RMN fait appel aux propriétés magnétiques des noyaux des molécules. Elle utilise un aimant ayant un champ magnétique élevé et homogène
ainsi qu’un équipement électronique et informatique spécialisé. Déclinableselon plusieurs modalités (spectroscopie, imagerie anatomique ou fonctionnelle…), la RMN permet d’accéder à un grand nombre de molécules
et de paramètres physiques différents de manière non traumatique et sansutilisation d’isotopes radioactifs. Traduisant de très faibles aimantations destissus, elle permet l’observation, en trois dimensions et avec une grandeprécision, d’organes profonds et opaques avec une sensibilité d’autant plus
grande que le champ magnétique augmente. L’importance de l’imagerie
par RMN a été soulignée par l’attribution du prix Nobel de Physiologie etMédecine 2003 à leurs concepteurs.

LUN CENTRE À VOCATION NATIONALEET INTERNATIONALEA RÉSONANCEMAGNÉTIQUEÀ HAUT CHAMP

Aujourd’hui, la plupart des systèmes d’imagerie par RMN (ou IRM)
installés dans les hôpitaux fonctionnent à des champs inférieurs ouégaux à 1,5 T (*). Le développement de protocoles de recherche plus
ambitieux exige des appareils à plus haut champ (> 3 T). Récemment,les États-Unis se sont dotés d’un appareil à très haut champ opérant à
7 ou 8 T destinés aux études sur l’homme.
Des systèmes « clefs en main » opérants à 4,7 T et 9,4 T existent déjà
pour des études chez l’animal. Ils servent à des applications biologiquesou pharmacologiques quasi-industrielles. Des systèmes encore plus
performants sont disponibles avec des aimants de 11 voire 15 T et desdiamètres variant de 10 à 40 cm. Chez l’homme le recours à deschamps au-delà de 10 T sur des diamètres proches de 1 m demeure undéfi technologique.
Pour relever ce défi technologique, NeuroSpin sera équipé de plusieurs
types d’imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) en champintense.
• un système 3 T pour l’étude clinique (volontaires, patients),• un système haut champ (> 11 T) pour l’étude chez l’homme,• un système haut champ (> 11 T) pour l’étude pré-clinique,• un système très haut champ (> 17 T) pour l’étude chez la souris.
Au cœur des appareils RMN développés se trouveront des aimants dechamps magnétiques élevés et homogènes réalisé à partir de matériaux« supraconducteurs » refroidis dans l’hélium liquide.
(*) Le tesla est l'unité de champ magnétique: le champ magnétique terrestre à Paris est de 0,00005 tesla.

La réalisation des aimants à très hauts champs vabénéficier du savoir-faire des équipes de la Direction
des Sciences de la Matière du CEA, en particulier duDAPNIA, qui contribuent à l’équipement des accélérateurs de particules du CERN et à la réalisation dedétecteurs associés.

L’ORIGINALITÉ DE NeuroSpin
EST DE RÉUNIR EN UN MÊME LIEU
ACTEURS MÉTHODOLOGIQUESET NEUROBIOLOGISTESDU PLUS HAUT NIVEAU
Ensemble et en synergie ils développeront outils etmodèles nécessaires pour repousser à l’extrême leslimites actuelles de l’imagerie dans l’exploration ducerveau. Ces méthodologies permettront de mieux
comprendre le fonctionnement du cerveau humain
ainsi que ses anomalies de développement et ses
dysfonctionnements.

Ce centre alliant développements méthodologiques d’avant-garde et applications
dans des domaines neurobiologiques du plus grand intérêt, dotera la région Ile-deFrance d’un instrument unique. S’appuyant sur un long savoir-faire du CEA en
matière d’aimants et de RMN en particulier, NEUROSPIN sera étroitement impliquédans le tissu industriel et économique, fédérateur de nombreux partenariats régionaux, nationaux et internationaux. NEUROSPIN constituera un véritable moteur del’innovation et de la diffusion technologique, centre
d’un réseau d’excellence européen. Son équipement lepositionnera confortablement au sein de l’Europe face
aux réalisations similaires en cours dans d’autres institutions prestigieuses comme les NIH ou le complexe
Harvard-MIT aux USA.
Ainsi NEUROSPIN se veut être une plate-forme
ouverte sur l’extérieur, tant par les partenariats noués(équipes de recherche internationales, industriels,hôpitaux parisiens) que physiquement par sa localisation, proche du Christ de Saclay (visibilité), ses infrastructures (architecture exceptionnelle du bâtiment parle cabinet Vasconi, objet d’un concours international),
et un accès facilité, qui s’intègre aisément dans le cadre des grandes infrastructures
européennes.
Partie intégrante du CEA de Saclay à proximité de l’Institut National des Sciences etTechniques Nucléaires, situé sur la commune de Saint-Aubin (Essonne), NeuroSpins’inscrit dans la complémentarité méthodologique du Service Hospitalier Frédéric Joliot(SHFJ) à Orsay où se trouve déjà un plateau technique d’imagerie radio-isotopiqueunique en Europe. Leur proximité géographique et leur gestion par le même organisme, constituent des atouts considérables. NEUROSPIN contribuera à la formationd’équipes du plus haut niveau et d’importants efforts pédagogiques seront menéspour sensibiliser le public aux bénéfices des recherches sur le cerveau.

SPECTRE RMN DU CERVEAU RÉVÉLANTLA PRÉSENCE DE NOMBREUX COMPLEXESCHIMIQUES IMPLIQUÉS DANSLE FONCTIONNEMENT CÉRÉBRAL(NEUROTRANSMETTEURS, MÉTABOLITES).
SPECTRE OBTENU CHEZ L’HOMME À 7 T(COURTOISIE DR TKAC, CMRR,MINNEAPOLIS).

LE SERVICE HOSPITALIERFRÉDÉRIC JOLIOT (SHFJ) À ORSAY.

N REGROUPEMENT
DE RESSOURCESAU SERVICE D’UNE
POLITIQUE RÉGIONALEUFidèle à sa volonté de mener une recherche scientifique de haut niveau, le CEA
exploitera NEUROSPIN en étroite collaboration avec les autres organismes derecherche (CNRS, INSERM, INRIA). La proximité de ces instruments avec lecampus universitaire d’Orsay, l’IPN, l’IN2P3, les laboratoires de Gif-sur-Yvette(en particulier en neurosciences et RMN), l’institut d’Optique et les grandesécoles, de même les partenariats construits de longue date au sein du SHFJ
entre le CEA et l’Assistance Publique des Hôpitaux de Paris (AP-HP), les Universités (Paris XI et Paris V notamment), les grandes écoles d’ingénieurs (ENST,Polytechnique, ENS, Supélec, Centrale…) fédèrent compétences humaines etressources techniques.
• Créé il y a 40 ans, le Service Hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ) est aujourd’huiau cœur d’un Institut Fédératif de Recherche (IFR 49: Imagerie Neurofonctionnelle) et réunit les équipes des autres organismes de recherche.
• Le centre de Fontenay-aux-Roses (CEA) prévoit la construction d’ImaGene,
plate-forme de thérapie génique et d’interface homme-robotique qui complétera les installations du SHFJ et de NeuroSpin.
• Le CIERM (Hôpital de Bicêtre) développe des méthodes d’IRM à visée clinique, en particulier dans le domaine cardio-vasculaire. Il assure la formationd’un grand nombre de cliniciens de l’imagerie en Ile-de-France.
• Le Groupe Hospitalier Pitié-Salpêtrière (AP-HP, AFM) est déjà très lié au SHFJ
dans des collaborations très actives en neurologie, neurochirurgie et psychiatrie. Il prévoit de s’équiper d’un instrument d’IRM d’une puissance de 3 T. Ce
complexe comporte de plus un centre de recherche en Magnétoencéphalographie (LENA) du plus haut niveau et expérimente actuellement laStimulation Magnétique Transcrânienne (TMS).
• L’INRA, l’Institut Pasteur ou la Génopole d’Évry sont également potentiellement intéressés par le développement de ce plateau technique.
Implanté près du synchrotron du projet SOLEIL le nouveau Centre bénéficiera
des infrastructures prévues (dessertes, hébergement…) pour l’accueil d’étudiants, de chercheurs, de nouvelles équipes de recherche ou pour l’implantation d’industriels intéressés par ses activités.
Prises de brevets, transferts vers l’industrie, développements de PME répondant
aux besoins d’aide en imagerie (conception de protocoles, montage de dossiers,
optimisation de l’acquisition des données, traitement des données…) des équipes des plateaux techniques hospitaliers ou des collaborateurs de passage
émergeront sans aucun doute de NeuroSpin.
NeuroSpin contribuera à faire du « plateau de Saclay », en Ile-de-France, un lieu
privilégié où sont développés centre de recherche, grands instruments de physique et de biologie ainsi qu’un important tissu industriel scientifique et technique.

CAMÉRA À POSITONS(TEP) DU SHFJ