irm fonctionnelle cérébrale bold · bennett cm, baird aa, miller mb, and wolford gl. neural...

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IRM fonctionnelle cérébrale BOLDPratiques cliniques et perspectives

Pr Alexandre Krainik

Clinique Universitaire de Neuroradiologie et IRM, CHU Grenoble, Grenoble – France

UMS IRMaGe – Plateforme IRM, Grenoble - France

Inserm U836 – Grenoble Institut des Neurosciences, Grenoble – France

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Miller. Science 2008Belliveau et al. Science 1991

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IRMf de l’émotion du saumon

… mort Bennett CM, Baird AA, Miller MB, and Wolford GL. Neural correlates of interspecies perspective taking in the post-mortem Atlantic Salmon: an argument for

multiple comparisons correction. 15th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, San Francisco, CA, June 2009

Faux positifs correction pour comparaisons multiples

Bennett, IgNobel 2012

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ACTION

REST

Cantin, EMC 2011

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• Susceptibilité magnétique χ

– Proportion de « tissu magnétisé » sous B0 : ΔB = χ B0

– Gradient de champ entre tissus

• [dHb] modifie la SM du sang = contraste endogène– Composante intra-vasculaire

– Composante extra-vasculaire

Bases physiologiques du signal BOLD

B0

Ogawa, MRM 1990

dHb HbO2

B0

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Bases physiologiques du signal BOLD

• Activité neuronale variation [dHb]

• Réponse métabolique

• Glycolyse

• (CMRGlc): +20-40%

• CMRO2

• Délai : <1 sec

• [dHbart ] = 0% [Hbtot]

• CMRO2 = 40% [Hbtot]

• [dHbven] = 40% [Hbtot]

• Réponse hémodynamique

• Délai : >1 sec

• ↑ débit sanguin cérébral (DSC) : +20-70%

• ↑ volume sanguin cérébral (VSC) : +5-30%

Iadecola, Nat Rev Neurosci 2004

Couplage neurovasculaire

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CMRO2

Neural activity

BOLD signal

[dHb]vox

OEF

Cerebralblood flow

arteriolar

Neurovascular coupling

Cerebral bloodvolume

venular

Post-stimulusundershoot

Sig

nal

BO

LD

[%

]

Time [s]

1

2

3

0

-1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Post-stimulus undershoot

Plateau

Plateau

Initial dip

Initial dip

a/c/v: 21/33/46% Harrison, 2002

CBVCMRO2

CBFBOLD

Bases physiologiques du signal BOLD

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• BOLD : relation linéaire avec B0 … 1-5%

– ≥ 1.5T

• Res. Contraste : sensibilité [dHb]

– T2*-EG > T2-SE

• TE : 30-50 msec

• + : temps d’acquisition, faible diffusion

• - : perte de signal à la base du crâne

• Res. Temporelle : secondes…

– EPI, spiral,…

• [TR : 2000-5000 msec] x n

• + : temps d’acquisition

• - : distorsion spatiale

• Res. Spatiale : < 1cm ?

– Vox : 2-4 mm de coté

– Matrice : 64²-1282

Cantin, EMC 2011

Repos Action

Acquisition : cahier des charges

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Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011

Acquisition : procédure clinique

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Krainik, Neurology 2001

Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011

• PET Ramsey, JCBF 1996

• MEG Stippich, Neuroreport 1998

• Stimulations electriques per-opératoires Lehericy, J Neurosurg 2000

• Wada test Hertz-Panier, Neurology 1997

• Lesions de l’AMS Krainik, Neurology 2001; Krainik, Neurology 2003; Krainik, Neurology 2004

• Intervale de 1 cm autour du COM Bartos, Acta Neurochir 2009

• Reproductibilité intra-sujets et inter-centres Zou, Neuroimage 2005

Résultats validés et reproductibles

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Preop Postop

IRMf épilepsie chronique (87 patients) : modification de la PEC 20% des patients (Kherraf et al. SFNR 2012)

Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011

Cartographie pré-opératoire

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Les résolutions

temporelles et

spatiales de l’IRMf

n’ont rien à voir avec

celles de l’activité

neuronale

L’IRMf ne cartographie

pas l’activité neuronale

directement

• Validation de la procédure

• Qualité et position des images

• Surveillance des performances

• Réduire les mouvements de la tête

• Evaluer les modifications de la perfusion

L’IRMf cartographie

les variations

fonctionnelles

d’oxygénation et de

perfusion cérébrale

Points-clés de l’interprétation de l’IRMf BOLD

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• Paradigmes et analyses validés

• Qualité image et artéfacts de susceptibilité magnétique

• Exécution de la tâche

• Mouvements

• Fonction de perfusion

Critères de qualité d’une IRMf

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Artéfacts de Susceptibilité magnétique : IRMf BOLD

Cavernome précentral G : vide de signal

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Artéfacts de Susceptibilité magnétique : IRMf BOLD

Epilepsie post-chirurgicale : lèvres

T2*EG

T2 SE : - sensible à SM et au BOLD !

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Parasites, spikes,… : BOLD

Translation

BOLDDyn 100

Dyn 132

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• Paradigmes et analyses validés

• Qualité image et artéfacts de susceptibilité magnétique

– Visualisation des T2* natives (contrôle qualité)

– Superposition des activations sur les natives

• Exécution de la tâche

• Mouvements

• Fonction de perfusion

Critères de qualité d’une IRMf

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• Paradigmes et analyses validés

• Qualité image et artéfacts de susceptibilité magnétique

• Exécution de la tâche

– Explication des tâches avant l’examen

– Re-explication des tâches pendant l’examen

– Renforcement positif

– Etude comportementale

– IRMf temps-réel

• Mouvements

• Fonction de perfusion

Critères de qualité d’une IRMf

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• Paradigmes et analyses validés

• Qualité image et artéfacts de susceptibilité magnétique

• Exécution de la tâche

• Mouvements

• Fonction de perfusion

Critères de qualité d’une IRMf

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Mouvements périodiques

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• Paradigmes et analyses validés

• Qualité image et artéfacts de susceptibilité magnétique

• Exécution de la tâche

• Mouvements

– Explication

– Contention

– Confort

– Prévenir avant chaque dialogue

– Post-traitement

• Fonction de perfusion

Critères de qualité d’une IRMf

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• Paradigmes et analyses validés

• Qualité image et artéfacts de susceptibilité magnétique

• Exécution de la tâche

• Mouvements

• Fonction de perfusion

– Perfusion basale

– Vasoréactivité cérébrale

Critères de qualité d’une IRMf

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OEF

dHb

T2* (BOLD)

CMRO2

Neural

activity

venular

venular

pressure

CBV

a/c/v: 21/33/46% Harrison, 2002

Resp

O2CO2

CVR

arteriolar

CBF

NVC

MTT

perfusion

pressure

arterial

pressure

AR

Intracranial

pressure

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• ↓ activations périlésionnelles

interprétation difficile Holodny

2000, Schreiber 2000, Fujiwara 2004, Ulmer 2004, Liu 2005,

Ludemann 2006, Chen 2008

• Perfusion basale

DSCMain Gauche Main Droite

A B C D

Hypercapnie

Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011

Cohen, JCBF 2002

Perfusion basale

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Krainik, Stroke 2005

Vasoréactivité cérébrale

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Jiang, Neuroimage 2010

Vasoréactivité cérébrale

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Vasoréactivité cérébrale

Preop

Lèvres

Preop

Hypercapnie

Postop

Hypercapnie

Postop

Lèvres

Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011

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EEG X

BOLD

modéliséActivation

Déactivation

F. Grouiller, O David – GIN

Perspectives : IRMf-EEG

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F. Grouiller, L. Vercueil, O David – GIN

IRMf-EEG

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p<0.01 (FDR)

Grouiller, HBM 2009

Epilepsie absence

Perspectives : IRMf-EEG optimisation de la HRF

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DMN – ICA (Melodic – FSL)

Murphy, Neuroimage 2013

PlosOne 2011

?

Resting state: BOLD MRI

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Murphy, Neuroimage 2013

Resting state: BOLD MRI

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• D’un problème vers une solution (serendipity)

• IRMf évaluer la réponse de perfusion à un stimulus vasomoteur

• Cartographier le couplage neurovasculaire

• Cartographier la vasoréactivité cérébrale en clinique

– Pathologie sténo-occlusive

– Neuro-oncologie

– Epilepsie

– Pathologie neurodégénérative,….

Perspectives : vers l’IRMf de perfusion

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Woman 42 yoWatershed stroke due to left ICA SIAS

meningioma left cavernous sinus

MTT

CBF

CBV

↓PP

(↑MTT)

↑ CBV

CBF ≈ cst

SIAS

Autoregulation

Stroke rec.

?

CVR

CVR ↓

(LI=-0.45)

Surgical

bypass

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Attye Hum Brain Map 2014 No recurrence of stroke events 2 years after PTAS

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Perfusion basale Vasoréactivité

AD

Doppler Trans-crânienApnée

Silvestrini, Stroke 2006

Xenon CTAcetazolamide

Oishi, J Clin Neurosci 1999

ASL

Johnson, Radiology 2005

ASL

Du, Neurology 2006

Etude des modifications physio-pathologiques : Alzheimer

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Vasoréactivité BOLD (CVP-)

IRMf de perfusion M. Alzheimer

Cantin, Neuroimage 2011

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Krainik, Diagn Interv Imaging 2013

Krainik, Mov Dis 2013Cantin, Neuroimage 2011

AD

MCI-a

Park off

Park on

CVR and neurodegenerative diseases

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Castriota-Scanderbeg, Neuroimage 2005 Le Bihan, Phys Med Biol 2007

Pour conclure,…

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• Consider BOLD fMRI as it is, a functional imaging technique

– Map functional change in perfusion and oxygenation to particular stimuli

– Pros and cons of functional stimulus: relevance, perception, performance

– Pros and cons of this imaging technique: resolutions, artifacts

• To be useful in medicine, remain a radiologist

– Knowledge in medicine

– Knowledge in anatomy

– Knowledge in pathophysiology

– Knowledge in imaging

– Knowledge in postprocessing

– Master examination workflow

• Don’t stay alone and ask for help and advices

Pour conclure,…

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Collaborations

• Neuroradiology and MR unit– Sylvie Grand– Jean-François Le Bas– Arnaud Attyé– Irène Troprès– Laurent Lamalle– Emilie Cousin– Assia Jaillard– Technicians

• Neurosurgery– Dominique Hoffmann– Eric Seigneuret– Olivier Palombi– Stephan Chabardes– Emmanuel Gay

• Neurology– Olivier Moreaud– Armelle Memin– Laurent Vercueil– Paul Krack– Lorella Minotti– Philippe Kahane

• GIN5– Marjorie Villien– Julien Bouvier– Olivier David– Jan Warnking– Emmanuel Barbier

• GIN6– Pierre Deman– Jean-François Adam– François Estève

• Clinatec …– François Berger– Alim-Louis Benabid

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Monti, NEJM 2010

Evaluation de la conscience