Plateformes technologiques de bio-imagerie au Québec

Suite aux subventions obtenues du Fonds canadien pour l’innovation (FCI), les chercheurs intéressés à la bio-imagerie ont maintenant accès à de nombreuses infrastructures de pointe nécessaires pour les travaux chez l’humain et les animaux de petit et moyen calibre. De fait, en plus des installations individuelles de chercheurs (ex : équipements d’EEG à haute résolution pour l’analyse des potentiels évoqués ou de stimulation magnétique transcrânienne (SMT)), ceux-ci ont la possibilité d’utiliser des infrastructures majeures de bio-imagerie dans trois milieux universitaires tels McGill, Montréal et Sherbrooke. Même si certains chercheurs du RBIQ ne font pas partie intégrante de ces centres d’imagerie, des ententes sont possibles entre le chercheur et la direction du centre (voir tableau à la Section IV) afin de permettre l’accès aux appareils et au personnel hautement qualifié apte à l’aider à réaliser ses projets de recherche. Par exemple, les chercheurs des universités Laval, UQAM et Concordia utilisent déjà les infrastructures technologiques disponibles à l’Université McGill et de Montréal.

Chez l’humain, les chercheurs du RBIQ et leurs équipes bénéficient présentement d’infrastructures matérielles et techniques impressionnantes en bio-imagerie telles que : 1) l’IRM à 1.5 et 3.0 Tesla pour l’acquisition d’images anatomiques (IRMa), fonctionnelles (IRMf) et spectroscopiques (spectroscopie par résonance magnétique), 2) la tomographie par émission de positons (TEP) en 3-D, 3) la tomodensitométrie (TDM ou “CT”), 4) l’analyse de potentiels évoqués à haute densité (ERPhd), 5) l’imagerie optique (IO) par infrarouge, et 6) la magnétoencéphalographie (MEG). Dans une moindre mesure, ces mêmes chercheurs peuvent aussi compter sur des équipements qui permettent la fusion de données unimodales comme dans le cas d’études combinant l’IRMf avec l’EEG, l’IO, ou la SMT. De même, les chercheurs désireux d’effectuer des travaux de recherche translationnelle chez l’animal de moyen calibre (ex : chat, singe, chien, lapin) peuvent aussi utiliser ces mêmes équipements ou une combinaison de ceux-ci, tandis que ceux intéressés aux animaux de petits calibres (souris, rats) ont la possibilité d’utiliser des équipements dédiés comme l’IRM à très haut champ (7.0T), la micro-TEP, l’IO par fluorescence et l’imagerie opto-acoustique. Combinés à ces installations matérielles, les centres d’imagerie au Québec peuvent tous compter sur le support de groupes de chercheurs et de personnels qualifiés impliqués dans les développements techniques et méthodologiques touchant non seulement l’acquisition, mais aussi l’analyses de données uni- et multimodales. Voici une description des plateformes technologiques disponibles dans plusieurs centres et groupes de recherche majeurs en bio-imagerie au Québec :

Université McGill :

Centre d’imagerie cérébrale McConnell : Le Centre d'Imagerie Cérébrale McConnell (CICM) de l’Institut neurologique de Montréal (INM) se consacre principalement à la recherche en imagerie du cerveau humain et de l’animal depuis 1984. Les chercheurs et le personnel du CICM ont acquis une expérience reconnue mondialement dans les domaines de recherche en imagerie cérébrale et dans le développement de nouvelles technologies de neuroimagerie. Le programme met l'accent sur la recherche quantitative 3-D des structures et fonctions cérébrales en utilisant des approches multimodales avec la TEP, l'IRMf, et la SRM. Le CICM a établi des liens solides avec les unités de recherche fondamentales et clinique au sein de l'INM (ex : neuropsychologie, neurolinguistique), ainsi qu’avec d'autres départements de l’Université McGill, comme ceux de biochimie, physiologie, informatique, mathématiques, génie électronique et biomédical. Grâce à une subvention majeure de la FCI, les chercheurs du CICM et de tout le Consortium pour la recherche en imagerie cérébrale à Montréal (y compris l’Hôpital Général Juif et Douglas de Montréal) peuvent déjà, ou pourront, compter (avec l’ajout d’une nouvelle aile de 25-30 000 pieds carrés) sur une infrastructure unique au Québec pour la recherche en bio-imagerie qui comprend :

   
• Deux appareils d’IRM de la compagnie Siemens: un appareil 3.0T TRIO qui sera rehaussé à la technologie TIM (« Total Imaging Matrix ») pour la recherche fondamentale et un aimant 1.5 T Sonata qui sert aussi aux projets de nature clinique.
   
• Un système à très haut champs 7.0T Pharmascan de Bruker pour la recherche en IRM et SRM chez les animaux de petit calibre (souris, rats).
   
• Deux tomographes TEP : le ECAT HR+ de Siemens installé en 1994, et un système 3D à haute résolution (CPS HRRT) également de Siemens, lesquels permettent des acquisitions 3D du cerveau humain.
   
• Un tomographe micro TEP à haute résolution pour le petit animal.
   
• Un cyclotron IBA à 8 cibles de Siemens qui permet de synthétiser une variété de sondes biologiques.
   
• Un appareil de magnétoencéphalographie (MEG) à 256 canaux de la compagnie CTF.
   
• Le tout est soutenu et intégré grâce à une infrastructure informatique impressionnante comprenant un appareil Origin 3800 à 64 processeurs pour des traitements d’images à haute performance et 60 stations de travail de la compagnie Sillicon Graphics Inc ou composées de boîtes d’analyses Linux.
   
• Finalement, au cours des années, le CICM a aussi développé une série de logiciels de prétraitement et d’analyses d’images dans un environnement stéréotaxique sous format MINC. Ces derniers comprennent : INSECT pour la classification des tissus cérébraux, ANIMAL pour la segmentation automatique des voxels du cerveau, CLASP pour la segmentation et le dépliement du cortex cérébral chez l’homme, et SEAL, pour l’identification automatisée des sillons sur la surface du cerveau humain.

Groupe d’imagerie cérébrale :

Ce groupe (GIC) de l’Institut de santé mentale de l’Hôpital Douglas a été créé en 2001 suite à l’obtention d’une importante subvention d’infrastructure de la FCI CRICM. Cette subvention a permis la mise sur pied d’une plateforme d’analyse de données d’imagerie cérébrale au Centre de recherche de l’Hôpital Douglas. Au GIC, les techniques de neuroimagerie fonctionnelle et structurale sont utilisées pour élucider la pathophysiologie de plusieurs maladies psychiatriques, y compris la schizophrénie, la dépression, le syndrome de stress post-traumatique, le TD/AH, etc. Les chercheurs du GIC s’intéressent aussi à l’étude de certaines fonctions cognitives chez des sujets sains, telles le traitement des émotions, la navigation spatiale, la mémoire et la réaction au stress. Comme membre du réseau du CRICM, le GIC dispose d’un plein accès aux installations d’imagerie de pointe du CICM décrites ci-dessus. De plus, les données d’imagerie du GIC sont logées au CIC-INM et accessibles de façon interactive grâce à une connexion sans fil haute vitesse entre l’Hôpital Douglas et les stations de travail du serveur du CICM.

Université de Sherbrooke :

Le Centre d’imagerie moléculaire de Sherbrooke du CHUS (CIMS) affilié à l’Université de Sherbrooke et inauguré en 1998, regroupe des chercheurs de renommée internationale et de spécialités complémentaires allant de la biologie jusqu’à la clinique, en passant par la chimie pour la conception de radiotraceurs et d’agents de contraste, incluant des sondes bimodales pour l’imagerie sous différentes modalités, ainsi que la physique et le génie pour le développement de l'instrumentation et le traitement des images. Les sept chercheurs du CIMS encadrent une équipe spécialisée formée de professionnels (biologistes, chimistes, physiciens, ingénieurs, informaticiens), d’étudiants et stagiaires postdoctoraux (~30), d’assistants de recherche et de techniciens, qui offre un service expert complet aux usagers du secteur de la bio-imagerie, qu’ils proviennent de l’Université de Sherbrooke ou d’ailleurs. Le CIMS comprend une importante infrastructure dédiée à l’imagerie moléculaire clinique chez l’humain et préclinique en modèle animal à l’aide de la TEP, de l’IRM et de la TDM, qui seront complétées sous peu par des ressources additionnelles pour l’imagerie optique, TDM et TEM (Tomographie d’Émission Monophotonique sur modèle animal. Plus précisément, les installations comprennent:

   
• Un cyclotron Ebco/ACS à énergie variable (13-19 MeV) équipé de cibles (jusqu’à 8) pour la production des principaux radio-isotopes émetteurs de positons (11C,13N,15O, 18F,64Cu).
   
• Un laboratoire de radiochimie/radiopharmacie équipé de 2 hottes blindées et 9 unités de radiosynthèse (commerciales ou construites sur place) pour la production des radiotraceurs, et un laboratoire GMP pour la production de radiopharmaceutiques pour l’usage clinique.
   
• Deux scanners TEP/TDM Philips Gemini GXL (2005) et TF (2007) pour l’imagerie clinique.
   
• Un scanner IRM Siemens 1.5T pour l’imagerie clinique.
   
• Deux scanners µTEP à base de photodiodes (prototype de l’UdeS et version commerciale LabPET(mt) de Advanced Molecular Imaging Inc. (maintenant Gamma Medica-Ideas (Canada) inc.) pour l’imagerie à haute résolution chez les rongeurs.
   
• Un scanner µIRM 7T Varian pour l’imagerie haute résolution sur les rongeurs.
   
• Un système de tomographie optique 3D pour l’imagerie de fluorescence ou bioluminescence chez le petit animal.
   
• Une animalerie entièrement équipée avec plusieurs stations de préparation des animaux (anesthésie, chirurgie, etc.) et aménagée pour l’hébergement simultané de deux espèces d’animaux radioactifs.
   
• Un laboratoire d’analyse biologique équipé pour le comptage de radioactivité et l’autoradiographie et l’analyse sanguine.
   
• Un laboratoire d’instrumentation très bien équipé pour le développement de détecteurs et d’appareils d’imagerie radio isotopique.
   
• Des ressources informatiques comprenant environ 25 postes de travail, 5 stations d’analyse d’images, et une grappe de calcul Linux (10 noeuds/Ethernet 1Gb).

Des subventions d’infrastructure du MDÉIE et de la FCI permettront au cours de la prochaine année d’augmenter les capacités de production de radio-isotopes et d’équiper le CIMS d’une plate-forme µTEP/µTEM/µTDM combinée pour l’imagerie multimodale.

Université de Montréal

Unité de Neuroimagerie fonctionnelle : Suite à une importante subvention d’infrastructure de la FCI, le Centre de recherche de l’Institut universitaire de gériatrie de Montréal (CRIUGM) et ses partenaires du réseau de l’Université de Montréal (UdeM) ont créé l’Unité de neuroimagerie fonctionnelle (UNF) du Regroupement Neuroimagerie/Québec (RNQ), inaugurée le 9 septembre 2004. L’infrastructure comprend :

   
• Un appareil d’IRM de 3.0 Tesla (TRIO, Siemens) qui a été rehaussé à la technologie TIM en décembre 2007.
   
• Deux appareils d’IO à rayon près de l’infrarouge de la compagnie TechEn, lesquels sont annexés à deux systèmes stéréotaxiques sans cadre (Rogue Research, Inc) pour la localisation précise des sources et détecteurs.
   
• Un instrument d’enregistrement EEG à haute densité (EEGhd : 64 canaux) de BrainVision servant à l’analyse des patrons d’ondes et potentiels évoqués à l’intérieur et en dehors de l’IRM.
   
• Un appareil SMT de la compagnie Magstim.
   
• Ces trois dernières modalités sont soit utilisées seules ou en acquisition simultanée avec l’IRMf afin d’obtenir des données multimodales (EEG-ERP/IRMf, EEG-ERP/IO, IO/IRMf, IRMf/SMT) qui combinent les avantages de chaque technique au plan de la résolution temporelle et spatiale.
   
• Pour la recherche chez l’animal de calibre moyen (chat, singe), les chercheurs utilisent les fonctionnalités de l’IRM 3.0T avec des antennes volumétrique commerciales ou de surface construites par le Dr Beaudoin.
   
• Ceux intéressés à l’imagerie chez le rongeur ont la possibilité d’utiliser un nouvel imageur par fluorescence diffuse (créé par Dr Lesage en partenariat avec le Réseau de Recherches Trans-Géniques) qui permet d’obtenir des mesures de GFP, YFP, RFP chez la souris, et d’effectuer des études en imagerie moléculaire chez le rat (ex: GFP, Infrarouge [ICG, Cy5, Cy5.5, Cy3 conjugués à des molécules ciblées], le luciférase) qui sont utiles dans l’analyse des interactions entre les génotypes et phénotypes lors du vieillissement ou de maladies associées.
   
• Le transfert, stockage, archivage et analyses des données générées par les diverses modalités à l’UNF est aussi assuré grâce à un parc informatique (SUN, et Linux) comprenant de nombreux serveurs de calculs multiprocesseurs, de serveurs d’espace disque (16 Tb), d’une librairie de 700 DVD (7.6Tb), d’un système d’archivage et de 10 stations de travail pour l’analyse et la visualisation de données unimodales et multimodales. Il est à noter que les centres de recherche partenaires à l’UNF (Centre hospitalier de l’UdeM [CHUM] et de l’Université de Sherbrooke [CHUS]; Hôpital Sacré-Cœur; Hôpital Sainte-Justine; Fernand-Séguin de l’Hôpital Louis-H. Lafontaine; le Centre de Recherche Mathématique (CRM); Groupe de recherche sur le système nerveux central [GRSNC], le Centre de recherche en neuropsychologie et cognition [CERNEC]) disposent également d’une partie des infrastructures informatiques pour l’analyse des données multimodales de sorte que les chercheurs peuvent effectuer l’analyse d’images dans leurs propres laboratoires.
   
• Finalement, au sous-sol du bâtiment annexé à l’UNF, les chercheurs disposent également d’une salle de chirurgie pour les animaux de gros calibre (singe, chat), lesquels sont ensuite amenés à la salle de l’aimant via un ascenseur qui leur est dédié.

Les activités scientifiques à l’UNF sont supportées par un sous-groupe de chercheurs (n=19) avec des formations (ex : ingénieur, physicien, mathématicien, neurophysiologiste, neuropsychologue, statisticien) et expertises complémentaires qui se sont affiliés afin d’accomplir de nouvelles avancées technologiques et méthodologiques en bio-imagerie.

Le Centre de recherche en neuropsychologie et cognition :

Grâce à des fonds d’infrastructure individuels de la FCI (i.e., Chaires de recherche du Canada, fonds d’établissement de jeunes chercheurs) les membres du CERNEC  ont accès à plusieurs appareils d’enregistrement de potentiels évoqués sensoriels ou cognitifs, d’imagerie optique et de stimulation magnétique transcrânienne. Ils ont aussi accès à un laboratoire de magnétoencéphalographie (MEG) qui a été financé grâce à une subvention d’infrastructure majeure de la FCI. Le groupe possède cinq laboratoires très bien équipés pour poursuivre l’étude des systèmes visuels et auditifs par imagerie optique et par enregistrement de l’activité unicellulaire chez l’animal, des simulateurs qui permettent d’étudier les problématiques cognitives et émotionnelles liées à la conduite automobile, ainsi que d’autres laboratoires liés à l’étude des fonctions sensorielles et cognitives chez les nouveau-nés normaux et épileptiques à l’Hôpital Ste-Justine et les personnes âgées à l’Institut universitaire de gériatrie de Montréal (IUGM). Finalement, les étudiants et personnels de recherche ont accès à une salle équipée de 10 postes de travail informatique qui sert à l’analyse des données.

Le groupe “BRAin, Music and Sound” :

Grâce à une subvention du FCI en 2007, le groupe BRAMS de l’UdeM, l’Université McGill et l’Institut Neurologique de Montréal dirigé par les Drs. Peretz et Zatorre mettra prochainement à la disposition de ses membres et de la communauté scientifique, artistique et autres, une infrastructure de pointe en neuroimagerie comprenant des équipements dédiés à l’étude de la dextérité et coordination motrice fine, de la perception auditive, de la réponse d’auditeurs en temps réel et du cerveau auditif et musical en action. Ainsi les chercheurs auront, entre autres, accès à : a) un appareil d’imagerie optique infrarouge couplé à un système de présentation contrôlé de stimuli auditifs variés et d’analyse des données comportementales, b) 8 unités d’enregistrement EEG à haute densité (256 canaux), c) trois appareils de stimulation magnétique transcrânienne, dont un compatible avec l’IRM et l’autre capable de stimuler en profondeur les régions corticales auditives primaires. Deux systèmes de stéréotaxie sans cadre seront aussi disponible afin de visualiser et identifier préalablement les régions à stimuler, d) un environnement plus silencieux lors des études d’IRMf grâce au rehaussement de l’aimant 3.0T du BIC au TIM, laquelle permet de diminuer significativement le niveau de bruit audible produit par le mouvement des gradients, e) des espaces de laboratoire au BIC et BRAMS-UdeM conçus spécifiquement pour l’expérimentation en neuroimagerie, f) une panoplie d’équipements compatibles IRM (ex : écouteurs électrodynamiques, microphones, enregistrements de données physiologiques, clavier, instruments à corde ou à vent, et autres) qui seront utilisés pour les études fonctionnelles en IRMf et en MEG, et g) un parc informatique de haute performance pour le traitement et l’archivage des données multimodales.

Le groupe de recherche en pharmacologie animale du Québec :

Ce groupe, le GREPAQ, de la Faculté de médecine vétérinaire à St-Hyacinthe s’intéresse aux évaluations pharmacodynamiques de fonctions spécifiques (rénale, cérébrale, cardiovasculaire), et particulièrement aux relations structure / fonction d’atteintes orthopédiques en regard des niveaux de douleur perçus sur des modèles animaux chez le chien et le chat. Le GREPAQ effectue des études détaillées de validation de ces évaluations en relation avec des partenaires privés et pour répondre aux besoins de chercheurs institutionnels. Pour se faire, les membres de ce centre de recherche animale auront bientôt accès à une animalerie adaptée aux exigences requises pour ces études fonctionnelles des animaux domestiques. De plus, les chercheurs bénéficient déjà de salles d’anesthésies et de chirurgies annexées au Centre vétérinaire d’imagerie diagnostique. Ce dernier comprend des espaces dédiés à la préparation d’échantillons biologiques et histopathologiques, ainsi que des appareils de radiographie numérique, d’échocardiographie, de tomodensitométrie, d’IRM (GE Excite, 0.6–2.0T) avec antennes à 8 canaux et de scintigraphie nucléaire. Dans un avenir rapproché, il est prévu que le GREPAQ pourra également compter sur des équipements d’imagerie par fluoroscopie 3D ainsi que des salles d’évaluation fonctionnelle en biomécanique et en neurologie/cognition animales. Ces travaux se feront en collaboration avec le Laboratoire de recherche en imagerie et orthopédie (LIO) de l’École de Technologie Supérieure dirigé par le Dr Jacques de Guise. Par ailleurs, le GREPAQ est doté d’un laboratoire de pharmacologie et bioanalyse protéomique s’appuyant sur la technologie de spectrométrie de masse avec chromatographie liquide ou quadripôle ionique. L’analyse protéomique fonctionnelle est à la base du développement d’outils diagnostiques révolutionnaires dans la détection de maladies neurologiques complexes comme la douleur, ou la maladie de Parkinson.

Conclusion :

Les infrastructures décrites ci-dessus desservent un nombre impressionnant de chercheurs, étudiants et post-doctorants en neuroscience, génétique et autres domaines connexes. Ces derniers bénéficient d’un environnement technologique exceptionnel pour le développement d’approches multimodales et interdisciplinaires en bio-imagerie. Des équipes de chercheurs impliqués dans les développements technologiques et méthodologiques y sont aussi affiliés, facilitant ainsi la réalisation de projets innovateurs, tant au niveau de la recherche fondamentale que clinique. En synergie avec de nombreux partenaires (voir description ci-dessous) sur le plan académique et industriel, l’accès à de tels équipements de pointe permet ainsi aux chercheurs de se positionner de façon enviable lors des concours pour les fonds de recherche. Finalement, ces dernières permettent aussi de créer un milieu de formation unique au Québec pour les nouveaux chercheurs et étudiants intéressés au domaine de la bio-imagerie, et contribuent ainsi au maintien et à l’accroissement de la compétitivité du Québec sur les scènes nationales et internationales.