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Utilisation de l’IRM fonctionnelle pour l’étude du fonctionnement du cerveau

Utilisation de l’IRM fonctionnelle pour l’étude du fonctionnement du cerveau. Michel Dojat UM INSERM-UJF U594, Grenoble, France. Consommation O 2 , Glucose, emission Chaleur, H 2 O, CO 2. Activité Cérébrale. Signaux chimiques (neuromédiateurs) Signaux électriques et magnétiques

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Utilisation de l’IRM fonctionnelle pour l’étude du fonctionnement du cerveau

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  1. Utilisation de l’IRM fonctionnelle pour l’étude du fonctionnement du cerveau Michel DojatUM INSERM-UJF U594, Grenoble, France

  2. Consommation O2, Glucose, emission Chaleur, H2O, CO2 Activité Cérébrale Signaux chimiques (neuromédiateurs) Signaux électriques et magnétiques Variations métaboliques et hémodynamiques Cerveau = 2% du poids , 25% de consommation totale de glucose 12-15% du débit cardiaque, 20 % de la consommation totale d’O2 !!!

  3. Des Techniques de Neuroimagerie EEG potentiels Intracellulaires ou extracellulaires MEG TEP Potentiel d’action Hémodynamique Déoxygénation Augmentation Du Débit Sanguin Neurotransmetteur IRMf (bold) EEG- MEG axone synapse [Joliot & Mazoyer 98 Ann Inst pasteur]

  4. cerveau Log Résolution (mm) MEG+PE TEP lésions aire imagerie optique IRM colonne potentiels de champs locaux microlésions couche neurone 2-déoxyglucose dendrite microscopie synapse milliseconde seconde minute heure jour Log Temps (sec) non-invasif invasif Des Propriétés Spécifiques [Garnero JFNI 05]

  5. d’Applications spécifiques, … Neuroimagerie cognitive : fonctionnement cérébral sain et pathologique Neuroimagerie clinique : latéralisation, vascularisation, récupération, … aide au diagnostic/geste chirurgical Neuro-computation : modèles cognitifs, vision artificielle, robotique de Questions spécifiques, … : Au service …. Suite à une stimulation sensorielle ou cognitive, il y a des activations • Localisation (où) : IRMf, TEP • Décours temporel (Quand) : EEG, MEG • Causalité (Pourquoi) : Connectivité effective (liens anatomiques) • Identification du réseau (Quel) : Connectivité fonctionnelle (corrélation) • Explication (Comment) : Modèle computationel

  6. Séquences RMN, … Artéfacts, bougé, … physique Traitement de l’information décours temporel ,… statistique Des Outils Spécifiques Des compétences spécifiques Neurosciences Sciences Cognitives Une approche pluridisciplinaire Correction de l’image Des techniques spécifiques, … Analyse /Interprétation de l’image Formation de l’image

  7. sagittale transverse Fonctionnelle Des Activations Anatomique Des Images RMN

  8. H H H H2O O H O H H O Trois étapes centrales 1) Polarisation 2) Excitation (résonance) 3) Relaxation D’où provient le signal en RMN ? Du proton de l’eau, très présent dans le corps humain

  9. Noyau d’H2 spin +/- ½ , alignés suivant B0 et –B0 Magnétisation résultante RMN : polarisation M = 0 M = M0 • Alignés en présence d’un champ magnétique extérieur

  10. à l’équilibre M0 s’aligne selon B0 Bo Trajectoire de précession M0 Equilibre RMN: précession Corps soumis à B0 (selon Z) -> noyaux avec moment magnétique et cinétique précessent à f0= gB0/2p autour de Z F0 = fréquence de Larmor H => F0= 42.6 MHZ à 1T, 63.87 MHZ à 1.5 T, 127.7 MHz à 3T

  11. Bo Trajectoire de précession M0 Equilibre Hors équilibre RMN : excitation Application d’un champ RF B1 à la fréquence f0 perpendiculaire à B0: résonance M0 est écarté de l’axe Z tourne autour de B0 à f0 et à f1 autour de B1

  12. RMN : Relaxation • Retour à l’équilibre : • T1 : temps de relaxation longitudinale • T2 : temps de relaxation transversale Signal proportionnel à la densité r des noyaux excités dans le plan transversal = signal RMN M0 très faible (à 1.5 T, Polarisation =M0/M = 4ppm) => RMN très faible sensibilité

  13. Imagerie par RMN La fréquence de résonance dépend du champ B0 Si on applique grad(Bx,yz) DF DB application d’un gradient de champ magnétique Gx,Gy,Gz pour encoder la position par la fréquence pour imager un objet

  14. Les étapes TF en Y TF en X Amplitude

  15. IRM : les images Espace image (spatial) Espace K (fréquence)

  16. [Wichmann and Müller-Forell Radiology 04] Localisation Anatomique

  17. HbO2 = Oxyhémoglobine diamagnétique + Hb = Dé-Oxyhémoglobine paramagnétique Un imageur Hémoglobine Perturbations locales de B0 Activation neuronale Hb/HbO2 RMN mesuré (effet BOLD) IRM fonctionnelle …. Repos : sang veineux 60%Hb02-40Hb Activation : sang veineux 63%Hb02-37%Hb !!!!

  18. C Technique non invasive et indirecte Entrée synapse Computation locale Répercussions -métabolique -hémodynamique Imagerie par effet BOLD Activité neuronale D Couplage neuro-vasculaire mal connu Le signal est faible et dépend de nombreux facteurs (vascularisation, conditions de mesure, instrumentation …) D Une technique difficile …

  19. Condition 2 Condition 1 Condition 2 - Condition 1 = mesure de l’effet - connaître puis contrôler les différents paramètres d’influence (attention, mouvements des yeux, …) D Définir un Stimulus … - pas de niveau absolu du signal mesuré => travailler par différence entre deux conditions Hypothèse de l’insertion pure - définir le paradigme : un effet fort plutôt que subtil ! - optimiser le paradigme pour les conditions de l’IRMf (contraintes temporelles) - tests des capacités des sujets (psychophysique, experts, novices …) - définir le nombre de sujets : analyse à effet fixe (6-10), à effet aléatoire (>10)

  20. Acquérir des Données Images - orientation des coupes (sagittale, parallèle à CA-CP, …) - taille du volume d’acquisition - taille dans le plan (x,y) - nombre de coupesla résolution spatiale - épaisseur des coupes (z) - temps d’acquisition d’un volume - nombre de volumes acquis (=session) la résolution temporelle - temps total d’une expérience => Données 4D : (voxel,t) - synchronisation stimuli / acquisition - type de séquence RMN (EPI, anatomique haute résolution …)

  21. - bruit physiologique (filtre passe haut) 0.3 1 [Turner et al., Exp Brain Res, 1998] - mouvement - lissage spatial (diminuer les différences entre sujets, augmenter le RSB) Enlever la variance due aux artefacts Préparer ses Données

  22. Normalisation : Pourquoi ? [Nieto-Castanedon NeuroIm 19 03]

  23. Z= 8mm X,Y= (-0.3,- 9) Y= 8mm X,Z=(5,2) 4 9 12 Gyrus Frontalis Inf, 44broad Cuneus, 17broad Des repères Grille proportionnelle Repère de Talairach & Tournoux

  24. Morphing : Exemples Transformation affine Transformation affine + Non linéaire

  25. 12 p t = 3.1s t = 3.1s Condition B Condition A Notion de « bon » ou « mauvais » Modèle (overfitting !) Un Modèle linéaire Y = K(Xfi+Xfni)b + e Hypothèse sur le bruit % change facteurs intérêt facteurs de non-intérêt Motor cortex Visualcortex Un Modèle de la fonction hémodynamique Logothetis &Wandell 04 Analyser les Données

  26. [Zeki TINS 03] Représentation Corticale du mouvement : aire V5 Expérience en Blocs t = 20s 7°/s TR=2s t = 20s x5

  27. Représentation Corticale des Objets : aire LOC [Grill-Spector et al. HBM 98] Expérience en Blocs t = 32 s, 32 images TR=2s t = 32 s, 32 images x3

  28. EfMRI, 12 sujets, Random Effect 99p . [±26,-67,-11] Zmax=4.4 p=0.001 uncorrected Evénéments x4 t = 0.5s Voxel = 4 x 4 x 5 28 coupes de 5 mm 99 dynamiques TR = 3.01 Aire sensible à la couleur V4 Expérience en événementiel

  29. La force du groupe … Interpréter & Présenter les Données P=0.001, t=3.1 Z=-15

  30. Imagerie de la Circuiterie Chen et al PNAS 99, 96:2430-34

  31. A …. t fo Paradigme de Fourier (1) X X X X X X X X fo X X X X X X X X t TF à f0 => carte d’amplitude : degré d’activation de chaque voxel

  32. Signal Périodique T=42s Vision des couleurs : où émerge la perception colorée ? Paradigme de Fourier : Application Engel et al. Nature 97

  33. D,I fo A f TF à f0 => carte d’amplitude : degré d’activation de chaque voxel carte de phase : reflet de la valeur préférentielle fo, f fo, f Paradigme de Fourier (2) (phase-encoding paradigm)

  34. 2 1 2 3 1 1 1 3 2 2 Organisation rétinotopique de V1 - macaque 14C-DG VD FP Tootell et al, J Neurosci 8:1531 (1988)

  35. S/S D Organisation rétinotopique de V1 - homme + 10 0 -10 P 0 20 d (mm) A 40 288 240 192 144 96 48 0 Time(sec) S. Engel et al, Nature 369, 525 (1994)

  36. VM HM VM dorsale ventrale HM Propriété de Rétinotopie

  37. Délinéation basée sur la RétinotopieExpérience en blocs dorsal ventral Singe rhésus [Fize JNeuroSc 03]

  38. Encodage en phase : réponses vasculaires Correspondance entre angle polaire dans le champ visuel et phase de la réponse neuronale

  39. Rétinotopie de l’excentricité et de l’angle polaire

  40. [Grill-Spector Ann Rev NeuroSci 04] [Vasseur Master 05] HM Visualisation surfacique

  41. Rétinotopie de l’excentricité en 2D V3d V3d V2d V2d V1 V1 V2v V2v V3v V3v Gauche Droit

  42. V3d V3d V2d V2d V1 V1 V2v V3v V2v V3v Rétinotopie de l’angle polaire en 2D Hémisphère gauche Hémisphère droit

  43. [S. Polyak The Vertebrate Visual System 1957]

  44. Des progrès … [Wandell et al Phil Trans R Soc B 2005]

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