Parmi les articles remarquables que publia Einstein en 1905 s’en trouve un qui, contre toute attente, a donné lieu à une méthode très puissante d’exploration du cerveau. Le concept de diffusion moléculaire a été expliqué par Einstein sur la base du mouvement de translation aléatoire des molécules, lié à leur énergie thermique. En 1985 il fut possible, pour la première fois, d’obtenir des images du coefficient de diffusion de l’eau dans le cerveau humain avec l’IRM. Durant leurs déplacements les molécules d’eau sondent les tissus biologiques, interagissant avec les membranes cellulaires, les macromolécules, et nous donnent ainsi des informations uniques sur leur organisation spatiale microscopique, bien que la résolution des images IRM reste millimétrique (1). Une application médicale majeure de l’IRM de diffusion de l’eau est l’ischémie cérébrale à la phase aiguë : la diffusion de l’eau ralentit dans les régions non irriguées ce qui permet un diagnostic et un traitement dès les premières heures, avant que l’atteinte soit irréversible. Ce ralentissement de la diffusion est corrélé au gonflement cellulaire qui accompagne l’œdème cytotoxique, mais le mécanisme exact n’est pas encore complètement élucidé. D’autre part, il a été montré que la diffusion de l’eau dans le cerveau était anisotrope, en particulier dans la matière blanche, car les membranes axonales limitent le mouvement de diffusion dans une direction perpendiculaire aux fibres nerveuses. Cette découverte est aujourd’hui exploitée pour produire des images spectaculaires de l’orientation des faisceaux de matière blanche et des connexions intra-cérébrales à partir de la mesure du tenseur de diffusion de l’eau. La dernière née des applications de l’IRM de diffusion de l’eau est celle de l’IRM fonctionnelle. En effet, il a été récemment découvert que le coefficient de diffusion de l’eau diminuait légèrement et transitoirement dans les régions cérébrales activées (2). Cet effet survient plusieurs secondes avant l’augmentation connue du débit sanguin qui est utilisée habituellement en neuro-imagerie fonctionnelle (TEP ou IRM) pour obtenir des images de l’activation cérébrale lors de tâches sensorimotrices ou cognitives, et sa découverte représente une avancée majeure, offrant potentiellement une approche plus directe et une meilleure résolution. Ce ralentissement diffusionnel de l’eau s’expliquerait par une couche de molécules d’eau électrostatiquement confinées par les membranes cellulaires, dont la surface augmente (gonflement cellulaire) durant l’activation. Les mouvements d’eau et les changements de leurs propriétés physiques, comme la diffusion, apparaissent donc au cœur même des processus d’activation neuro-nale (3). L’objectif de cette présentation sera de replacer les propriétés de diffusion de l’eau dans le contexte des tissus biologiques, telles qu’elle peuvent être détectées par IRM, et de passer en revue les mécanismes qui sous-tendent l’activation neuronale et leur intimité avec les propriétés physiques de l’eau, la « molécule de l’esprit » ?

(1) Le Bihan D. Nat Rev Neurosci. 2003, 4(6):469-80 ;

(2) Le Bihan D, Urayama S, Aso T, Hanakawa T, Fukuyama H. Proc Natl Acad Sci USA. 2006, 103(21):8263-8 ;

(3) Le Bihan D. Phys. Med. Biol. 2007 R2 : R57-R90.