La modélisation de la dynamique du cerveau

L'hydrocéphalie à pression normale (HPN) est une condition neurologique provoquée par une accumulation de LCR dans le cerveau. La superposition des symptômes et des constatations avec d'autres pathologies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer empêche un bon diagnostic. Le manque de connaissances sur la mécanique intracrânienne et la difficulté d'acquérir des mesures cérébrales détaillées renforcent les limites thérapeutiques.

Pour aborder le défi de résoudre les mécanismes de la maladie, le projet DINUMA (Development of an integrated numerical model of the intra-cranial space (including the brain parenchyma, blood flow and cerebrospinal fluid) for clinical application), financé par l'UE, s'est proposé de développer une plateforme numérique à plusieurs échelles de la dynamique intracrânienne. Dans ce contexte, les chercheurs ont développé un modèle structurel ascendant pour le parenchyme cérébral et une approche à plusieurs échelles aux flux de LCR ventriculaires. Les études sur la dynamique de pression intracrânienne dans les états pathologiques et sains démontrent combien une meilleure connaissance de la dynamique de LCR et parenchymal peut améliorer le diagnostic clinique.

Le modèle structurel ascendant s'appuie sur la microstructure des tissus et les microdéformations pour reconstruire l'interaction globale entre le parenchyme et son environnement. Malgré des propriétés cellulaires élastiques, les retards nécessaires pour la ré-équilibration du liquide extracellulaire dans la matrice cellulaire confèrent des propriétés viscoélastiques et dépendantes de la vitesse de déformation aux tissus cérébraux, une observation qui a été confirmée par les expériences. Plus important, sous une charge constante, le cerveau se déforme progressivement à mesure que le liquide s'échappe de l'espace extra-cellulaire, une observation qui pourrait avoir une implication pour la pathogenèse de l'HPN.

Des simulations à plusieurs échelles de la dynamique de LCR ont démontré que, bien que la mobilité des parois et les pulsations du plexus choroïde affectent la dynamique du LCR dans les régions centrales des ventricumes, la dynamique à proximité des parois et les contraintes de déchirement étaient dominées par les pulsations des épendymocytes. Cela démontrait que la dynamique intracrânienne est le fruit de réactions complexes à l'échelle cellulaire.

D'un point de vue clinique, la résistance d'écoulement du LCR est utilisée comme mesure de la dynamique intracrânienne chez les patients de HPN. La procédure implique un test d'infusion, et le calcul de la résistance d'écoulement en utilisant une estimation pas toujours satisfaisante. Les résultats in vitro préliminaires ont démontré une forte amélioration de ces calculs pour l'évaluation des propriétés visco-élastiques du cerveau, conformément aux prévisions du modèle DINUMA. Une estimation précise de la dynamique intracrânienne est donc d'une importance clinique de taille.