Développement cérébral et ses anomalies Plan Rappel de l
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Méditerranée Université de la Développement cérébral et ses anomalies Nadine Girard Neuroradiologie, AP-HM Timone, Marseille Rappel de l ’anatomie cérébrale Les cinq vésicules cérébrales: Plan • Rappel de l’organisation générale du cerveau • Morphogénèse cérébrale et ses anomalies: semaines 0-8 • Histogénèse du cortex cérébral, développement des commissures: semaines 7-20 – Malformations du développement cortical – Anomalies de développement des commissures • Morphogénèse du cortex, développement de la substance blanche: semaines 20-40 (terme) • Myélinisation cérébrale: 0-4 ans Premières étapes du développement du tube neural Télencéphale Diencéphale • télencéphale: ventricules latéraux, hémisphères cérébraux • diencéphale: 3ème ventricule, thalamus, hypothalamus • mésencéphale: aqueduc de Sylvius • métencéphale: 4ème ventricule, cervelet • myélencéphale: foramen de Magendie, moelle 5 vésicules Prosencéphale 3 vésicules vésicules télencéphaliques Organisation générale des hémisphères Cortex, noyaux gris, substance blanche, ventricules latéraux • Paléocortex (amygdale), archicortex (hippocampe), néocortex • Lobes: frontal, pariétal, temporal, occipital, insulaire • Lobe limbique • Aires corticales primaires, aires associatives • Aires de Brodman 1 Organisation du cortex cérébral • Surface du cortex : mosaïque d’aires ayant chacune cytoarchitectonie propre connexions spécifiques fonction particulière dans le traitement de l’information Sillons face interne • Sillon péricalleux (limbique) • Sillon callosomarginal (périlimbique) • Fissure pariétooccipitale • Fissure calcarine Sillons face inférieure • Orbito-frontaux: – Sillon olfactif – Sillon en H • Temporo-occipitaux –t 3 - o 3 –t 4 – o 4 – Collatéral (t 5 – o 5) Le cortex cérébral • Phénotype commun à tous les humains, mais différent chez tous les individus • Scissures ou sillons primaires (constants): callosomarginale, pariéto-occipitale, calcarine; latérale (sylvienne), centrale (Rolando); hippocampique • Sillons secondaires (constants): frontaux (F1, F2), intra-pariétal, temporaux (T1 parallèle, T2, T3, T4 collatéral), pré- et rétrorolandiques, occipitaux, insulaires • Circonvolutions (gyrus), opercules, et aires fonctionnelles • Sillons tertiaires (variables) • Aires de Brodman (histologie) • Frontale supérieure (F1), moyenne (F2), inférieure (F3) (p. orbitalis, p. triangularis ou cap, p. opercularis ou pied) • Frontale ascendante • Pariétale ascendante • Lobules pariétal supérieur, inférieur • Lobe de l’insula, opercules frontal, rolandique, pariétal, temporal • Circonvolutions temporale supérieure (T1), moyenne (T2), inférieure (T3) Sillons face externe Les aires corticales • Aires primaires, secondaires, associatives • Définies par leur histologie (Brodman), et par leur connectivité • Motricité volontaire, sensibilité consciente, vision, audition, parole, reconnaissance des visages, etc • Notion de somatotopie • Localisation (épilepsies partielles) • Exploration en IRMf 2 Les structures limbiques • Lobe intralimbique – Paleo-cortex • Amygdale • Aire septale • Partie du claustrum – Archi-cortex • Hippocampe • Indusium griseum Organisation fasciculaire • Corona radiata: fibres thalamocorticales, avec en particulier les radiations optiques et les radiations acoustiques • Faisceaux de projection: en particulier cortico-spinal • Faisceaux d’association longs: – Arqué (longitudinal supérieur) – Fronto-occipital (tapetum) – Unciforme – Temporo-occipital (longitudinal inférieur) – Cingulum (limbique) • Faisceaux d’associations courts, fibres en U et intralobaires • Commissure néocorticale: corps calleux Plan • Rappel de l ’anatomie générale du cerveau • Morphogénèse cérébrale et ses anomalies: semaines 0-8 • Histogénèse du cortex cérébral, développement des commissures: semaines 7-20 – Malformations du développement cortical – Anomalies des commissures • Morphogénèse du cortex, développement de la substance blanche: semaines 20-40 (terme) • Myélinisation cérébrale: 0-4 ans Les commissures • Fibres d’association interhémisphériques qui pour l’essentiel, associent des points symétriques du cortex de chaque hémisphère • Une commissure néocorticale: le corps calleux • Deux commissures limbiques – La commissure blanche antérieure (paleocortex) – La commissure hippocampique ou psalterium (archi-cortex) Morphogénèse cérébrale et ses anomalies • • • • S 1: fécondation, implantation S 2: embryon bilaminaire (épi-blaste, ento-blaste) S 3: embryon trilaminaire (épi-, méso-, entoblaste) S 4: NEURULATION: différentiation neurale de l ’épiblaste médian. Plaque, gouttière, tube neural. Vésicules cérébrales primitives: prosencéphale, mésencéphale, rhombencéphale • Malformation S4: spina bifida aperta et Chiari (paraplégie, hydrocéphalie mais intelligence normale) 3 Morphogénèse cérébrale et ses anomalies • S 5: DIVERTICULATION du prosencéphale: système olfactif et hémisphères cérébraux, vésicules optiques, antéhypopyse (massif facial, méninges etc.) • Malformation S5: holoprosencéphalie (retard mental, épilepsie): cyclope • S 6-8: diverticulation du rhombencéphale (cervelet, segments du tronc cérébral) Les cellules du SNC • Les neurones pyramidaux (excitateurs, Glu): migration radiaire vers le cortex à partir de la zone germinale ventriculaire • Les astrocytes (support neuronal): même origine que les neurones pyramidaux • Les interneurones (inhibiteurs, GABA): migration tangentielle à partir de l’éminence ganglionnaire • Les oligodendrocytes (formation de la myéline): migration fasciculaire à partir de zones spécialisées de la zone ventriculaire 1ère étape : multiplication et migration • A 20 s, petit cerveau de 50 g • Contenant toutes les structures du cerveau mature • Plaque corticale totalement lisse Ε neurones immatures Plan • Rappel de l ’anatomie générale du cerveau • Morphogénèse cérébrale et ses anomalies: semaines 0-8 • Histogénèse du cortex cérébral, développement des commissures: semaines 7-20 – Malformations du développement cortical – Anomalies des commissures • Morphogénèse du cortex, développement de la substance blanche: semaines 20-40 (terme) • Myélinisation cérébrale: 0-4 ans Développement du cortex cérébral: 2 étapes • 1ère moitié de la grossesse 20 s • 2ème moitié de la grossesse 40 s 2ème étape : synaptogenèse 40s 40 s: cerveau de •Différenciation neuronale : 450 g ] mise en place des réseaux ] accroissement considérable du cortex ] apparition des sillons et circonvolutions 4 Le modèle de Sidman & Rakic 1ERE ETAPE: MULTIPLICATION MIGRATION NEURONALE Migration neuronale Cajal-Retzius cells • Proliferation cellulaire dans la zone germinale • Formation de la glie radiaire et différentiation neurogliale • Migration radiaire vers la plaque corticale, • Organisation corticale, et synaptogénèse locale Migration neuronale non radiaire (12%) Sous-plaque Pré plaque IZ Rg f V Mise Z en place des neurones selon schéma de dedans en dehors • apporte les interneurones GABAergiques de l ’éminence ganglionnaire cortex • migration tangentielle • différente par le mécanisme de guidage des neurones • utilise les axones comme support Différenciation neuronale émission d’un axone 2 EME ETAPE: SYNAPTOGENESE • cône de croissance avec filopodes (filaments d’actine) • guide la progression • sur de longues distances • vers cible spécifique • avec laquelle il établit une jonction spécialisée: synapse 5 Neurones du cortex établissent des connections avec les neurones d ’autres territoires corticaux des noyaux sous-corticaux: thalami++ des structures sous- jacentes: tronc cérébral, cervelet et moelle élaboration d ’un réseau axonal complexe configuration définitive longtemps après la naissance Dans une couche donnée: les neurones établissent le même type de connection I - II, III cortex homo ou controlatéral (corps calleux) - IV afférences du thalamus - VI efférences thalamus - V efférences autres que le thalamus Schéma identique dans toutes les aires du néocortex quelle que soit leur spécialisation fonctionnelle II III IV V VI Causes • • • • • • • • • Idiopathiques Géniques Physiologiques (neurotransmetteurs) Infectieuses (cytomegalovirus surtout) Anoxo-ischémiques (supposées) Toxiques (cocaïne, cytostatiques) Métaboliques (maladies peroxysomales) Traumatiques (direct ou indirect) Radiations (Hiroshima, radiothérapies) Verticalement, organisation laminaire en 6 couches • chaque couche constituée d ’un type neuronal particulier possède un « câblage » propre : type de connexion spécifique Malformation du développement cortical Toute anomalie au cours de l’histogénèse du cortex peut engendrer une malformation corticale • Prolifération insuffisante: microlissencéphalie • Mauvaise différenciation neurogliale: dysplasie corticale focale, sclérose tubéreuse de Bourneville (et tumeurs dysplasiques?) • Migration anormale: types divers d’hétérotopies (y compris les lissencéphalies) • Mauvaise organisation: micropolygirie • Défaut local de prolifération ou destruction focale: schizencéphalie Défaut de prolifération: Microlissencéphalie (radial microbrain, micrencephalia vera) • Microencéphalie • Dessin simplifié des circonvolutions • Retard mental majeur • Génétique 6 Dysplasie corticale focale Dysplasie corticale focale discrète: microdysgénèse • Les cellules ne se différencient pas bien en neurones ou astrocytes • Il s’ensuit une migration anormale, une organisation anormale du cortex • Mauvaise ségrégation entre le cortex et la substance blanche • Anomalies étendues sur tout le trajet de migration • Sporadique, très épileptogène, pas de déficit mental ou neurologique si limité • Indétectable en imagerie médicale • Habituellement constatée après chirurgie de l ’épilepsie partielle • Mais (rares) descriptions autopsiques dans des pathologies plus diffuses: épilepsie généralisées « idiopathiques », « autismes », dyslexies, schizophrénie • Décrit même, parfois, chez des sujets ayant mené une vie socialement normale Anomalies de la migration neuronale Migration insuffisante: • hétérotopie paraventriculaire • hétérotopie sous corticale • hétérotopie intracorticale Migration excessive • hétérotopie de la couche 1 • hétérotopies méningées Hétérotopies: mécanismes possibles Amas de neurones normaux mais mal organisés et en situation anormale, par migration avortée ou inadéquate subplate Anomalies mineures décrites chez des épileptiques, des dyslexiques des schizophrènes Migration excessive • Les cellules neuronales dépassent la surface du cerveau et envahissent les méninges • De façon totalement désorganisée • Il n’y a pratiquement pas de fibres, donc de substance blanche • Hydrocéphalie associée • Génétique, retard considérable, mort précoce • Nature génique parfois documentée (FLN1, DCX, LIS1…) • Différenciation trop précoce • Interaction des neurotransmetteurs (prouvé, Glu) • Zone germinale hétérotopique (rat TISH) • Apoptose défectueuse • Processus destructif toxique (rat MAM) Trouble de l’organisation corticale Micropolygyrie • Lésion des couches moyennes du cortex, vers les 18-23èmes semaines, donc avant le développement des sillons. Cortex “froncé”, avec des sillons aberrants • Multiples causes: – – – – – destructif infectieux (cytomégalovirus), destructif indéterminé, cas familiaux (donc génétiques), trauma fœtal, trouble métabolique (peroxisomes) • Déficit neurologique, épilepsie fréquente, retard mental selon l’étendue des anomalies • Chez des schizophrènes, on a décrit des défauts d’épaisseur du cortex frontal, comme si l’organisation était défectueuse, ou la production cellulaire insuffisante 7 Malformations du développement cortical: mécanismes des déficits • Déficit neurologique: – destruction localisée du cortex • Epilepsie: • Déficit mental: – destruction étendue du cortex, – neurones extracorticaux mais liés au cortex, désorganisation du cortex, – connectivité anormale, – organisation anormale localement et en réseau – épileptogénicité propre des lésions (DCF), – connectivité anormale (MPG), – organisation anormale (hétérotopies) localement et en réseau Le système commissural Les commissures sont des fibres d’association interhémisphériques • • • • Commissure antérieure Commissure hippocampique Corps calleux Septum pellucidum La commissure antérieure Plan • Rappel de l ’anatomie générale du cerveau • Morphogénèse cérébrale et ses anomalies: semaines 0-8 • Histogénèse du cortex cérébral, développement des commissures: semaines 7-20 – Malformations du développement cortical – Anomalies des commissures • Morphogénèse du cortex, développement de la substance blanche: semaines 20-40 (terme) • Myélinisation cérébrale: 0-4 ans Anatomie des commissures • Commissure antérieure (CA): partie haute de la lame terminale, d’un noyau amygdalien à l’autre. Commissure olfactive (du paléocortex) • Commissure hippocampique (CH): sous le corps calleux, d’un hippocampe à l’autre (archicortex) • Corps calleux (CC): commissure principale (du néocortex) avec d’avant en arrière, un bec, un genou, un tronc (fibres frontales), un isthme (fibres périrolandiques), un splenium (fibres temporopariéto-occipitales) • Septum pellucidum (SP) pris entre les trois, en arrière et au dessous des bec, genou et tronc du corps calleux, au dessus du corps du fornix Le corps calleux Relie l’essentiel du néocortex des deux hémisphères (mammifères placentaires) Connecte les structures olfactives, les plus primitives 8 Formation des commissures • La commissure antérieure passe par le V3 antérieur • La commissure hippocampique utilise la méninge interhémisphérique • Le corps calleux antérieur utilise un pont interhémisphérique de cellules gliales • Le corps calleux postérieur utilise la commissure hippocampique Agénésie commissurale complète Agénésie commissurale complète • Pas de corps calleux commissural, mais des fibres blanches “hétérotopiques” • Pas de commissure hippocampique • Pas de commissure blanche dans 50% des cas Agénésies commissurales • Seulement 15% des sujets atteints sont normaux: • Carrefours ventriculaires trop larges: faisceaux intrinsèques du lobe occipital absents – épilepsie, retard mentaux, malformations spinomédullaires, crâniofaciales, oculaires, troubles hypothalamohypophysaires, anomalies cardiaques surtout • Plus de 70 syndromes malformatifs incluent une malformation des commissures – Pas d’atteinte génétique particulière • Le processus de commissuration met en jeu – une multitude de facteurs géniques, cellulaires, métaboliques, mécaniques etc – expliquant la multiplicité des processus potentiellement responsables, et la variété des anomalies observées Plan • Rappel de l ’anatomie générale du cerveau • Morphogénèse cérébrale et ses anomalies: semaines 0-8 • Histogénèse du cortex cérébral, développement des commissures: semaines 7-20 – malformations du développement cortical – anomalies des commissures • Morphogénèse du cortex, développement de la substance blanche: semaines 20-40 (terme) • Myélinisation cérébrale: 0-4 ans Maturation cérébrale • Changements dans la morphologie (ventricules, ESA, giration): IRM prénatale • Changement dans la composition cérébrale: processus de maturation (densité cellulaire, glie de myélinisation, myéline): période pré et postnatale • Morphologie • Volume cérébral et poids: augmente • giration • Changement de la morphologie ventriculaire • Diminution du volume des ESA • Imagerie cérébrale foetale 9 Masse de l’encéphale IRM-développement de la giration •A 20 semaines, le capital de neurones est atteint, et bien au delà: spécialisation par mort cellulaire programmée •L’augmentation de la masse cérébrale se fait par accroissement des fibres (et des synapses), des astrocytes qui soutiennent les fibres, et de la myéline qui les enveloppe • 12g à 12 sem • 1000g à 1 an • 80 g à 20 sem • 1300g à 8 ans • 350g à 40 sem (terme) • 1450g à 18 ans Fissure pariéto-occipitale Calcarine Sillon callosomarginal Rolando (central) Pré, Rétro-rolandique Temporal supérieur Composition cérébrale Morphologie • Dilatation ventriculaire relative • Zone germinative épaisse jusqu’à 26 semaines • ESA larges de façon diffuse jusqu’à 31 semaines; possibilité de persistance d’élargissement des ESA à la partie postérieure des hémisphères et au niveau bitemporal antérieur • effets sur le signal: – Diminution du T1 (hypersignal) – Diminution du T2 (hyposignal) • Mécanismes principaux achevée 20 sa 24 - 29 sa achevé 27-28 sa 24 - 28- 35 sa 26 - 31 - 35 sa achevé 27-28 sa • Contenu en eau: T2, T1, diminution (SB surtout) • Densité cellulaire: T1, T2: (astrocytes, oligodendrocytes, zone germinative) • Augmentation des lipides (myélinisation, substance blanche) • Propriétés RMN de certains lipides: transfert d’aimantation des galactocérébrosides: T1 et T2 (Kucharczyk 1994) CORTEX fœtus n-né maturité Eau 90% 90% 85% Lipides 1.7% 2.7% 4.5% Tronc cérébral 20 sa - terme 10.5% Noyaux gris 20 sa - terme Cellules migrantes 20 - 28(30) sa Capsule interne 33 sa - terme Protéines 8.3% 7.3% S. BLANCHE IRM - signal de maturation (bras postérieur, T1) Eau 90% 90% 70% Bandelettes optiques 35 sa - terme Lipides 2.4% 2.7% 17% C.Semiovale (aire centrale) 35 sa - terme Protéines 7.6% 7.3% 13% 10 Plan Myélinisation • Rappel de l ’anatomie générale du cerveau • Morphogénèse cérébrale et ses anomalies: semaines 0-8 • Histogénèse du cortex cérébral, développement des commissures: semaines 7-20 • Malformations du développement cortical • Développement des commissures • Morphogénèse du cortex, développement de la substance blanche: semaines 20-40 (terme) • Myélinisation cérébrale: 0-4 ans Myélinisation du SNC • Au niveau télencéphalique progression du sillon central vers les pôles cérébraux – pôle occipital myélinisé avant le pôle frontal – Qui est myélinisé avant le pôle temporal Imagerie de la maturation cérébrale • Etapes normales • Anomalies du contraste: détection des lésions • Incidence pronostique (ex SFA) • Processus continu de la fin de la vie fœtale à la fin de l’adolescence • Sensitif/sensoriel avant moteur avant intégrateur/associatif • De la moelle vers l’encéphale • D’ arrière en avant • Selon une chronologie précise et connue • faisceaux par faisceaux dans la SB Myélinisation du cortex • Les aires primaires avant les aires associatives • En « tache d’huile » • Sans continuité avec les faisceaux correspondants • Processus qui répète la phylogénie, sans refléter le développement fonctionnel de l’enfant In utero • Morphologie anormale: surtout malformations • Perte du signal normal, de l’aspect du cerveau multicouche: surtout lésions destructives • Signal anormal:surtout lésions destructives 11
