Étude du développement cérébral par IRM conventionnelle, IRM de diffusion et IRM fonctionnelle

1. Étude du développement cérébral par IRM conventionnelle, IRM de diffusion et IRM fonctionnelle Unité de Neuro-imagerie Anatomique et Fonctionnelle Service Hospitalier Frédéric Joliot, CEA, Orsay Jessica Dubois

2. La RMN pour l’exploration du cerveau 3 niveaux possibles : • Biochimie (Spectroscopie par RMN) • Morphologie (IRM conventionnelle, IRM de diffusion) • Cognition (IRM fonctionnelle) Plan • Principes des différentes modalités d’IRM • Applications pour l’étude du développement cérébral

3. L’Imagerie par Résonance Magnétique • Atome d’hydrogène • Corps : eau • Résolution spatiale ~ mm • Résolution temporelle ~ s ou min L’imageur RMN • Aimant : B0(1.5T) • Antenne radiofréquence : B1(~10-6T, 64MHz) • Bobines de gradients : Gx, Gy, Gz(~10-3T.m-1)

4. Rappel : la fréquence de résonance dépend du champ magnétique statique • Gradient de champ magnétique la fréquence de résonance varie dans l’espace fréquence position Codage spatial du signal : sélection d’une coupe • Onde radiofréquence de fréquence donnée excitation et résonance des spins d’une coupe • Enregistrement du signal des spins de la coupe

5. Mécanismes de contraste en IRM • Densité de protons • Retour à l’état d’équilibre (relaxation) après excitation par l’onde radio-fréquence B1 - Repousse de l’aimantation longitudinale : T1 - Décroissance de l’aimantation transversale : T2, T2*

6. Densité de protons T1 T2 T2* L’IRM conventionnelle • Types d’images • Anatomie : matière grise (noyaux gris centraux, cortex : sillons / gyri), matière blanche, ventricules (liquide céphalo-rachidien) …

7. Image 2D Rendu d’une section oblique Détection automatique des sillons Rendu surfacique du cortex Exemples d’applications

8. L’IRM de diffusion • Mouvements aléatoires des molécules d’eau • Diffusion dans le tissu cérébral • Signal RMN de diffusion D : coefficient de diffusion, b : pondération de diffusion • Sensibilité à l’orientation des fibres myélinisées de la matière blanche

9. Dxx Dxy Dxz x z y Dyy Dyz T2 Dzz L’imagerie du tenseur de diffusion (DTI)

10. Orientations codées en couleurs Diffusion moyenne Anisotropie Cartes DTI

11. Suivi de faisceaux de fibres (tracking) • Principe : utiliser l’information d’orientation dans chaque pixel et se propager de proche en proche pour construire une « fibre » d’un faisceau de matière blanche

12. Tracking de fibres

13. Champ de vue entier Hémichamp gauche Hémichamp droit L’IRM fonctionnelle • Localisation des activations cérébrales Ex : stimulation visuelle

14. Augmentation de la saturation en oxygène du sang Activations cérébrales Phénomènes physiologiques accompagnant l’activité neuronale : • Changements métaboliques • Consommation de glucose • Consommation en oxygène • Changements hémodynamiques • Volume sanguin • Débit sanguin

15. Effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant) L’effet BOLD et le signal RMN • Hémoglobine : atome de fer • Comportement magnétique : porteuse d’oxygène : diamagnétique non porteuse d’oxygène : paramagnétique • Déoxyhémoglobine : - modifications des lignes de champ magnétique - effet sur le T2*- effet sur le signal RMN

16. Augmentation du signal RMN Signal t L’effet BOLD et les activations cérébrales Lors d’une activation cérébrale : • Augmentation de la saturation en oxygène du sang • Diminution de la concentration en déoxyhémoglobine • Augmentation du T2*

17. I : 1mois II : 2mois III : 3-6mois IV : 7-9mois V : >9mois Paus et al, Brain Res Bull 2001 Étude en IRM conventionnelle • Évolution des temps de relaxation avec l’âge Myélinisation de la matière blanche vue en T1

18. Collaboration SHFJ / Hôpital Necker, Paris / HSR, Milan Scifo et al, HBM 2003 Étude de la formation des sillons et gyri • Imagerie pré-natale : « plissements » du cortex • Application potentielle : détection précoce de pathologies du développement cortical

19. diffusion moyenne T1 anisotropie 26sem 40sem 7ans Étude en IRM de diffusion • Sensibilité à l’anisotropie initiale du cortex • Sensibilité au processus de myélinisation des fibres de matière blanche • Sensibilité à l’orientationdes faisceaux de fibres avant la fin de la myélinisation Neil et al., NMR Biomed. 2002

20. Vue axiale Vue coronale Vue sagittale Collaboration en cours SHFJ / Hôpital Necker, Paris Organisation des faisceaux chez le bébé • Quel est l’état d’« organisation » des réseaux de matière blanche chez le bébé de 3 mois ?

21. Langage Dehaene-Lambertz et al, Science 2002 Activations aux sons Assymétrie en faveur de l’hémisphère gauche Paroles à l’endroit vs paroles à l’envers Bébés éveillés vs bébés endormis Étude en IRM fonctionnelle • Quel est l’état de « fonctionnement » du cerveau (matière grise) chez le bébé de 3 mois ?

22. Études en cours • Langage : mémorisation d’une phrase écoutée par le bébé de 3 mois ? • Vision : le nouveau-né « voit-il » ? Chez l’adulte : région spécifique à la vision des visages, assymétrie en faveur de l’hémisphère droit Chez le bébé de 3 mois ?

23. Conclusion • L’IRM appliquée à l’étude du développement : anatomie / fonctions, quels liens ? • La RMN : 1946 • L’IRM : 1973 • L’IRM fonctionnelle : 1992 • L’IRM de diffusion appliquée au tracking : 1999