BOLD, Hypothèses et Desseins Expérimentaux

1. BOLD, Hypothèses et Desseins Expérimentaux Oury Monchi, Ph.D. Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université de Montréal

2. Plan du cours • Réponse BOLD (Blood Oxygen-Level Dependent) • Problématique recherchée liée à l’IRMf • Devis expérimentaux • Exemple de devis expérimentaux de notre laboratoire (tâche de WCST – Wisconsin Card Sorting Task) • Conclusion : quelques contraintes

3. BOLD response Blood Oxygen Level Dependent response

4. BOLD response • Les processus cognitifs entraînent une activité neuronale qui se traduit par une consommation d’énergie sous forme d’ATP • La production d’ATP se fait grâce à l’oxydation du glucose : glucose + oxygène ATP • Le glucose et l’oxygène sont apportés par le sang : activité neuronale  augmentation du flux sanguin • L’augmentation du flux sanguin déplace l’hémoglobine désoxygénée des capillaires, veinules et petites veines. • L’hémoglobine désoxygénée a des propriétés paramagnétique (elle diminue l’intensité du signal IRM) • En déplaçant l’hémoglobine désoxygénée avec de l’hémoglobine oxygénée, l’augmentation du flux sanguin induit une augmentation locale du signal IRM (contraste BOLD)

5. BOLD response

6. BOLD response • Cellule nerveuse typique • Les dendrites reçoivent généralement des signaux électriques • Ces signaux se répandent à travers l’axone • Les terminaisons d’axones transmettent l’information à d’autres cellules à travers les synapses

7. BOLD response • Les vaisseaux sanguins fournissent du sang au cerveau • Trois paires d’artères majeures • Artère cérébrale antérieure • Artère cérébrale médiane • Artère cérébrale postérieure • L’artère antérieure fournit du sang entre les hémisphères, l’artère médiane le fournit aux côtés latérales, et l’artère postérieure à l’arrière du cerveau • Des veines équivalentes ramènent le sang au coeur

8. BOLD response

9. BOLD response

10. BOLD response • Des artères majeures, les vaisseaux sanguins se divisent jusqu’à ce qu’ils deviennent des capillaires

11. BOLD response Exemple de la microcirculation dans le gyrus median orbital du cerveau humain. A. Les artères sont en rouges et les veines en Noirs. B. Photographie (brutes)

12. BOLD response • Coupe à travers le cerveau • On peut bien voir la couche de matière grise et un peu de matière blanche • De plus, on peut voir les vaisseaux sanguins accéder perpendiculairement dans le cortex, avec plus de vaisseaux où il y a plus de cellules

13. BOLD response • Le contraste BOLD dépend du niveau d’oxygénation du sang • Ogawa et al. montrent qu’il y a plus de signal T2* lorsque les rats respirent de l’oxygène pur (A) que lorsqu’ils respirent de l’air ordinaire (B).

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15. BOLD response

16. BOLD response

17. BOLD response • L’hémoglobine est diamagnétique lorsqu’elle contient de l’oxygène, mais paramagnétique lorsqu’elle n’en contient pas • Ceci veut dire que l’hémoglobine désoxygénée est affectée par les champs magnétiques, mais l’hémoglobine oxygénée ne l’est pas • On peut alors prendre avantage du fait que l’on peut détecter le sang désoxygéné par IRM, ce qu’on appelle le signal T2*

18. BOLD response: Contraste T2* • Il y a 2 origines à la relaxation transverse: 1. Les interactions spin-spin (T2) 2. Les changements de la fréquence de la précession des spins dues aux inhomogénéités du champ • T2 * prend son origine dans la combinaison de ses 2 facteurs de la relaxation transverse T2*<T2

19. BOLD response: Contraste T2* • 1/T2* = (1/T2) + (1/T2’) Où T2’ est l’ effet de déphasage causé par l’inhomogénéité du champ • Hemoglobine désoxygénée est paramagnétique: Électrons isolés (contrairement au sang oxygéné) + moment magnetique significatif • Le sang désoxygéné réduit l’homogèneité du champ  T2* • Quand une région est particulièrement solicitée le taux relatif de sang désoxygénée diminue et donc le T2* (ou BOLD) augmente.

20. BOLD response • Le signal T2 est sensible au sang désoxygéné. Plus il y a de sang désoxygéné, plus le temps de relaxation de T2 est court • T1 n’est pas affecté par le sang désoxygéné, il n’est donc pas utilisé pour mesurer la réponse BOLD

21. BOLD response Des mesures de débit sanguin et celles de réponses BOLD montrent qu’ils corrèlent bien

22. BOLD response Après chaque stimulus, le signal augmente

23. BOLD response Gauche réponse pour un stimulus. Droite réponse pour un block de stimulus qui se suivent

24. BOLD response • Expérience chez le rat • Le flux sanguin et le BOLD revienne vite au niveau de base tandis que le volume sanguin prend beaucoup plu de temps

25. BOLD response • Activité d’un seul voxel pendant une tâche motrice. Le sujet serre la main pour 2s chaque 16-18s. • Même s’il le SNR est très grand, il reste une variation substantielle en amplitude et forme de réponse hémodynamique

26. BOLD response • Même tâche que sur la diapositive précédente • Données des essais individuels qui génèrent les données vues précédemment

27. BOLD response Il faut garder en tête, par contre, que l’on ne connait toujours pas exactement la relation entre l’activité neuronale et les changements d’afflux sanguins Plusieurs types d’hypothèses: hypothèse hémodynamique, neuronales, et psychologiques (cognitives)

28. Principes de base de la TEP • La TEP dépend de l’injection d’un isotope radioactif généré par un cyclotron. • Dès leurs injections, ces radio-isotopes se désintègrent et émettent des positrons qui entrent en collision avec des électrons. Ces collisions produisent des rayons γ opposés qui sont captés par les détecteurs de coïncidence de la TEP. • Suivant les molécules auxquels s’attachent ces isotopes, on peut avoir de l’information sur le débit sanguin (étude d’activation, p. ex 015) ou sur la relâche de neurotransmetteur (p. ex. 11C qui se lie au récepteur D2 du striatum).

29. Principes de base de la TEP

30. Radioactive tracers for PET • 18FDG (Fludeoxyglucose): glucose metabolism • H215O : regional blood flow (cerebral or myocardial) • 18FDOPA : Dopa uptake (dopamine precurser) • [11C]raclopride : Dopamine D2 antagonist • 18FP-TZTP : muscarinic agonist (acetylcholine) • PHNO, FLB 457, WAY, ……….

31. FDG PET • FDG-PET scan in a boy with left parietal-temporal epilepsy showing decreased glucose metabolism in the left parietal and temporal lobes

32. Water PET • Regional cerebral blood flow (rCBF) is related to glucose and oxygen consumption. • Very sensitive to acute changes… • E.g., patients with Parkinson’s disease who received DBS on STN perform a joystick task while OFF- or ON-DBS. • Similar task-induced rCBF changes in the M1 in both condition, but greater changes in SMA. • Normalizing effect of DBS.

33. Principes de l’ASL 1. Marquer le sang arteriel rentrant par inversion magnétique 2.  Acquérir l’ image marquée 3. Répéter l’éxpérience sans marquage 4.  Acquérir l’image contrôle

35. K.J. Bangen et al. / Neurobiology of Aging 30 (2009) 1276–1287

37. Problématiques Comment construire une expérience d’imagerie en résonance magnétique fonctionelle ?

38. Qu’espérez-vous trouver ? Qu’apprendrez-vous de nouveau sur les processus cognitifs Impliqués ?  Obtiendrez-vous des informations complémentaires aux autres techniques ?  Peut-on répondre à la question en utilisant des techniques plus simples et moins onéreuses ? L’IRMf ajoute-t-elle suffisamment d’informations pour justifier cette grande dépense d’argent et d’effort ?  Réfléchir avant d’agir

39. Réfléchir avant d’agir Quelles seraient les autres possibilités (et/ou l’hypothèse nulle)?  Ou n’y a-t-il pas vraiment d’autres possibilités ? (dans ce cas il n’est peut-être pas intéressant de réaliser l’expérience)   Dans le cas où une autre possibilité ressort, l’étude serait-elle toujours intéressante ?  Si cette autre possibilité n’est pas intéressante, l’espoir d’avoir le résultat attendu au départ est-il suffisant pour justifier la réalisation de l’expérience ?

40. Réfléchir avant d’agir Quelles sont les variables confondantes possibles ? Pouvez-vous les atténuer ? L’expérience a-t-elle déjà été réalisée ? 

41. A quelle question essaye-t-on de répondre?! • Nature/Nombre de composantes cognitives ? • Résolution Temporelle ? • Reconstruction du BOLD ? • Résolution Spatiale ? • Cerveau entier ou Région d’Intérêt (ROI) ? • A éviter : Quelle est la dernière méthode ou la méthode la plus sophistiquée ? Utilisons celle là !

42. Paramètres disponibles • Présentation des Stimuli en Blocs Vs. Essais Mélangés ? • Acquisition Synchronisée avec les Stimuli Vs. Acquisition Non Synchronisée ? • Temps de Répétition pour l’acquisition des volumes • Longueur des essais • Longueur ISI • Amplitude des essais ?

43. Nombre de volumes Nombre de Runs Sessions Multiples Nombre de Tranches Résolution Orientation des Tranches Paramètres disponibles

44. Logique de soustraction

45. La logique de soustraction en cognition a débutée lors des expériences de temps de réaction (F. C. Donders, un physiologiste Hollandais). Mesure le temps d’apparition d’un procédé en comparant deux temps de réaction, le premier ayant les mêmes composants que le deuxième + le procédé d’intérêt. Assumption of pure insertion: On peut insérer une composante d’un processus dans une tâche sans perturber les autres composantes. Critiqué largement (on reviendra là-dessus lorsqu’on parlera d’études paramétriques) Logique de soustraction

46. Logique de soustraction Exemple : Condition1: Appuyez sur le bouton quand vous voyez une lumière Condition2 : Appuyez sur le bouton quand la lumière est verte mais pas rouge Condition3 : Appuyez sur le bouton gauche quand la lumière est verte et sur le bouton droit quand la lumière est rouge C2 – C1 = temps pour faire la distinction entre les couleurs C3 – C2 = temps pour prendre une décision

47. 10. It's not how big the region is, it's what you do with it.  9. Both involve heavy PETting.  8. It's important to select regions of interest.  7. Experts agree that timing is critical.  6. Both require correction for motion. Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common Source: students in the Dartmouth McPew Summer Institute

48. Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common 5. Experimentation is everything. 4. You often can't get access when you need it. 3. You always hope for multiple activations. 2. Both make a lot of noise. 1. Both are better when the assumption of pure insertion is met. Now you should get this joke! Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common Source: students in the Dartmouth McPew Summer Institute

49. Exemple : Localisation de la région du mouvement; C1: anneaux statiques, C2: anneaux en mouvement Contraste: C2 – C1 Possibles facteurs ajoutés: mouvement saillance attentionelle Possibles facteurs enlevés adaptation de la rétine Il faut toujours considérer combien de facteurs ont été ajoutés ou affectés Des devis plus sophistiqués (ex. paramétriques, en conjonction) seraient peut-être meilleurs pour aborder la contribution de certains composants Logique de soustraction : Imagerie

50. Chaînes causales: du charbon inséré dans un moteur à vapeur donnera de la puissance au train. En dérivé, le moteur génère de la vapeur, qui siffle. Le sifflement est donc la conséquence du charbon dans le moteur. • On peut faire une analogie semblable pour l’activité neuronale. La tâche active des cellules qui vont faire bouger le doigt et appuyer sur un bouton. En dérivé, on voit des « activations » sur une séquence IRMf.