bold, hypothèses et desseins expérimentaux

BOLD, Hypothèses et Desseins BOLD, Hypothèses et Desseins ExpérimentauxExpérimentaux

Oury Monchi, Ph.D.Oury Monchi, Ph.D.

Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université de MontréalMontréal & Université de Montréal

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

BOLD responseBlood Oxygen Level Dependent response

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)

BOLD response

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

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

BOLD response

BOLD response

Des artères majeures, les vaisseaux sanguins se divisent jusqu’à ce qu’ils deviennent des capillaires

BOLD response

Exemple de la microcirculation dans le gyrus median orbital ducerveau humain. A. Les artères sont en rouges et les veines enNoirs. B. Photographie (brutes)

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

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).

BOLD response

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*

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

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.

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

BOLD response

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

BOLD response

Après chaque stimulus, le signal augmente

BOLD response

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

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 plus de temps

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

BOLD response

Même tâche que sur la diapositive précédente

Données des essais individuels qui génèrent les données vues précédemment

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 niveaux d’hypothèses: hypothèse hémodynamique, neuronales, et psychologiques (cognitives)

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).

Principes de base de la TEP

Radioactive tracers for PET

18FDG (Fludeoxyglucose): glucose metabolism

15H2O : regional blood flow (cerebral or myocardial)

18FDOPA : Dopa uptake (dopamine precurser)

11Craclopride : Dopamine D2 antagonist

18FP-TZTP : muscarinic agonist (acetylcholine)

PHNO, FLB 457, WAY, ……….

FDG PET

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

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.

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

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

Problématiques

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

Réfléchir avant d’agir

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 ?


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 ?


Quelles sont les variables confondantes possibles ?

Pouvez-vous les atténuer ?

L’expérience a-t-elle déjà été réalisée ?

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 !

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 ?

Paramètres disponibles

Nombre de volumes

Nombre de Runs

Sessions Multiples

Nombre de Tranches

Résolution

Orientation des Tranches

Logique de soustraction

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)



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 couleursC3 – C2 = temps pour prendre une décision

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.

Source: students in the Dartmouth McPew Summer Institute

Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common

Source: students in the Dartmouth McPew Summer Institute

Now you should get this joke!

Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in CommonTop 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.

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

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.

Pour chaque tâche, il faut trouver un contrôle satisfaisant

Pour une tâche de visages, on peut choisir un objet en tant que contrôle, ou un visage déformé ou caché

En (c) nous voyons des visages transformés avec la transformation de Fourier

Questions critiques pour une étude, qu’elle soit une étude IRMf ou non

Devis expérimentauxOptions disponibles pour une expérience en IRMf :

Dessein en blocs

Dessein évènementiel espacé

Dessein évènementiel mélangé

Dessein « phase-encoded »

Dessein en blocs

État Stable

Conditions contrôle et activation

Alternance entre des blocs de même type d’essais et des blocs de condition contrôle

Les acquisitions de volume sont synchronisées avec les essais

Bon dessein pour la question suivante : L’aire X montre-t-elle une augmentation de l’activation quand elle est présentée avec la composante cognitive A par rapport à la condition contrôle ou par rapport à la composante cognitive

-2

2

6

14

10

t-value

stimulusoff

on

aquisition

time

Activations IRMf : dessein en blocs

timeROI

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1802600

2620

2640

2660

2680

2700

2720

2740

2760

2780

2800

Time (s)

Sig

nal

Activations IRMf: dessein en blocks


Au sein d’une condition

Entreconditions

La forme de la réponse hémodynamique est perdue le plus il y a d’essais dans un block


Réponse à des évènements éphémères

Reconstruit la réponse hémodynamique.

Habituellement désynchronise l’acquisition du volume et la présentation du stimulus dans le but de scanner à différents points de la fonction hémodynamique.

=> Besoin de créer un fichier de sortie avec les temps de volume, la présentation des stimuli et les temps de réponse.

Pas besoin de présenter les stimuli et les conditions « contrôle » en blocs. Cela peut-être mieux que de les présenter de manière aléatoire.

stimulusoff

on

image acq

time

-2

2

6

14

10

t-value

Actiavions en IRMf : event-related

time

ROI

0 5 10 15 20 2599

100

101

102

103

104

105

Time

RO

I Sig

na

l

stimulus

average time course

Dessein évènementiel espacé : étude auditive

Can reconstruct the signal directly from data because ISI large and not regular

Can still reconstruct it with small ISI’s but more model dependant because of the deconvolution

Dessein évènementiel espacé : étude auditive

Dessein évènementiel : Essais mélangés

Essais multiples, présentation aléatoire des évènements. Désynchronise l’acquisition du volume et la présentation des stimuli (=> enregistrer tous les temps)

Diviser les essais en plus d’un évènement cognitif. Petits évènements mais pas <<2secs.

Peut contraster entre les évènements ou utiliser une condition « contrôle ».

Bonne utilisation de la résolution temporelle de l’IRMf, mais les desseins et les statistiques sont plus complexes !


Exemple d’une tâche évènementielle: régions associées à des sélections de réponses à un objectif (régions préfrontales)


Exemple d’une tâche évènementielle: régions associées à des sélections de réponses à un objectif (régions pariétales)

Dessein « Phase-Encoded »

Les stimuli changent continuellement (spatialement) avec une période de 2Π

L’acquisition de volume est synchronisée avec la phase

The BOLD signal at each spatial location is Fourier transformed. This allows for instance to map out retinotopically visual areas of the brain

eccentricity

0 50 100 150 200 250 300 350810

820

830

840

850

860

870

880

890

Time (s)

Sig

nal

time

FFT

magnitude phase

Dessein « Phase-Encoded »

Phase mapping

Résumé des différents desseins

Dessein en Bloc : Présentation des stimuli en bloc / synchronisation de l’acquisition du volume

Dessein Evènementiel Classique : Présentation régulière ou irrégulière des stimuli habituellement Stimulus-Control/désynchronisation de l’acquisition de volume pour la réponse transitoire

Dessein Evènementiel Essais mélangés : Evènements multiples, présentation aléatoire des stimuli, besoin de beaucoup de volumes, désynchronisation de l’acquisition des volumes.

Phase-Encoded Design : Changement constant des stimuli répétés périodiquement, synchronisation de l’acquisition des volumes avec la phase (< période!)

Exemple de devis expérimentalWisconsin Card Sorting Task et autres exemples

Wisconsin Card Sorting Task

Étude WCST : méthodes IRMf

Un nouveau dessein évènementiel en IRMf a été développé pour séparer 4 conditions d’une tâche.

Essais mélangés : 4 Conditions : Couleur, Forme, Nombre, Control répétés 3 fois dans un ordre aléatoire par série.

Essai : 1. Période d’appariement : la longueur dépend du

sujet (0.5 to 2secs) 2. Période « feedback » (Récompense, Pénalité ou

Control) : la longueur est 2.3 secs

Monchi et al., J. Neurosci. 2001

: Negative feedback

: Positive feedback

: Matching according to color

: Matching according to shape: Control feedback

: Matching

: Control feedback

: Matching

Active

Control

: Matching according to shape



Condition « Control » : Appariement de cartes identiques

Le temps aléatoire des essais (lié au temps de réaction du sujet) et les essais mélangés (liés à la performance du sujet) nous permettent de reconstruire des évènements multiples

Vs.

Negative FeedbackNegative Feedback

Control FeedbackControl Feedback

Monchi et al., Journal of Neuroscience,Monchi et al., Journal of Neuroscience, 20012001

WCST : participants jeunes contrôles

Shift planning

Z = 26Z = 26

3.53.5

66T-stat T-stat

Z = 6Z = 6

22NDND Cortico-BG loop (posterior Cortico-BG loop (posterior PFC and putamen) involved in PFC and putamen) involved in the execution of a shiftthe execution of a shift

Monchi et al., Journal of Neuroscience,Monchi et al., Journal of Neuroscience, 20012001

Matching following Negative FeedbackMatching following Negative Feedback vs Cvs Control Matchingontrol Matching

Shift executionWCST : participants jeunes contrôles

Z = 42Z = 42

3.53.5

66

T-stat T-stat

Y = 34Y = 3433

55

T-stat T-stat

Compared to

Positive Feedback – Control FeedbackPositive Feedback – Control Feedback

Consistent with the monitoring role Consistent with the monitoring role of DLPFC within Working Memoryof DLPFC within Working Memory

Set MaintainingWCST : participants jeunes contrôles

VSVS

Negative feedbackNegative feedback Positive feedbackPositive feedback

Isolation of a cognitive cortico-striatal loopIsolation of a cognitive cortico-striatal loop including the ventrolateral PFC in the including the ventrolateral PFC in the

planning of a set-shiftplanning of a set-shiftMonchi et al., 2001: Monchi et al., 2001: Journal of NeuroscienceJournal of Neuroscience, editor’s choice , editor’s choice

ScienceScience and and Nature Reviews NeuroscienceNature Reviews Neuroscience

Feedback positif – feedback negatifWCST : résultats des sujets contrôles

ConclusionQuelques contraintes…

Quelques contraintes

On peut acquérir des données rapidement, mais pas à << 1.5s

On doit acquérir le plus d’images possible – mais les sujets se fatiguent : sessions de 2 heures max, sauf si expérience de sommeil!

Compromis

“fMRI is like trying to assemble a ship in a bottle – every which way you try to move, you encounter a constraint” -- Mel Goodale

“That’s on a good day. On a bad day, it’s like trying to assemble a ship in a bottle blindfolded, drunk and with one hand tied behind your back” – Jody Culham

Compromis

Nombre de tranches vs. temps d’acquisition du volume plus il y a de tranches, plus le temps d’acquisition du

volume est long ex. 15 tranches en 2 sec vs. 20 tranches en 3 sec

Nombre de tranches vs. résolution dans le plan plus la résolution dans le plan est grande, moins il y a

de tranches pouvant être acquises dans un temps constant d’acquisition de volume

ex. matrice 128x128 pour 1 tranche vs. matrice 64x64 pour 4 tranches

3 x 3 x 6= 54 mm3

e.g., SNR = 1003 x 3 x 3= 27 mm3

e.g., SNR = 71

2.1 x 2.1 x 6= 27 mm3

e.g., SNR = 71

SAUF lorsque les régions activées ne remplissent pas le voxel (partial voluming)

isotropiquenon-isotropiquenon-isotropique

En général, des voxels plus larges augmentent le SNR.

Grandeur des voxels

Plus de contraintes

Haute résolution I.e. 128 x 128

Bon pour distinguer entre de petites aires (e.g. subcortical) mais pauvre SNR.

Basse résolution I.e 64 x 64 meilleur SNR

Tranches

Plus de tranches, meilleure résolution – mais acquisition plus lente

Besoin d’optimiser la résolution, les tranches, le temps d’acquisition (pour une taille d’aimant donnée)

Cerveau entier : Direction des tranches (souvent 45° vers la partie postérieure)

ROI : Orientation des tranches dépendant de la localisation et de la forme des aires d’intérêt et de l’artefact EPI

Garde le nombre de tranches et l’orientation constants tout au long de l’étude, qui est de sujet en sujet

Volumes and Séries

Augmentation du nombre de séries : Moins de dérive par série mais plus d’effet aléatoire (e.g. mouvement). Aussi repos entre les séries, et enregistre les données à différent stade.

C’est généralement mieux d’augmenter le nombre de séries que d’utiliser des sessions multiples par sujet. Mais attention à l’effet de la fatigue !

More Power to Ya!

Pouvoir Statistique la probabilité de rejeter l’hypothèse nulle quand elle est

réellement fausse “si il y a un effet, quelles sont les chances que vous le

trouviez”?

Taille de l’effet plus les effets sont grands, plus le pouvoir statistique est

grand ex. MT localizer (moving rings - stationary runs) -- 1 série est

généralement suffisant looking for activation during imagined motion might require

many more runs

More Power to Ya!

Taille de l’échantillon plus n est grand, plus de pouvoir statistique, dans l’ordre: plus de sujets plus de séries séries plus longues

Signal to Noise Ratio meilleur SNR, plus de pouvoir statistique aimant plus fort, plus homogène plus de bobines dans l’antenne RF moins d’artefacts plus de filtre

ISI et longueur des essais

La longueur des essais peut varier de “instantannée” à ISI

Ne doit pas << 2 sec entre le début de chaque essai pour les desseins évènementiels à essais mélangés.

Faut-il prendre en compte la durée des évènements ou peuvent-ils être tous considérés comme instantanés ? Ca peut dépendre du type des stimuli

Sign that used to be at the 1.5 T at MGH

Murphy's law acts with particular vigour in fMR imaging:

Number of pieces of equipment required in an fMRI experiment: ~50

Probability of any one piece of equipment working in a session: 95%

Probability of everything working in a session: 0.95^50 = 7.6%

Solution for a good imaging session =$4 million magnet + $3 roll of duct tape

Finhttp://psychology.uwo.ca/fMRI4Newbies/Tutorials.html

Dr. Jody Culham

Prochain cours: prétraitement des données

Remerciements: Cécile Madjar et Kristina Martinu

http://unfweb.criugm.qc.ca/oury/Site/Downloads.html

bold, hypothèses et desseins expérimentaux

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