Introduction partie I:Qu’est-ce que l’IRM cérébrale?

Oury monchi, PhD

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

Montréal

RAD6005 – Introduction à l’IRMf

Plan du cours RAD6005, hiver 2010

11 conférences de 3 heures

5 travaux pratiques de 3 heures devant ordinateur

1 examen devant ordinateur (20%)

1 présentation en groupe (20%)

1 examen écrit (60%)

3 crédits

5 avril

23 avril

6 mars et 2 avril

Cours théoriques1. (16 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction IRM et anatomie (Jean-Sebastien Provost)

2. (23 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction aux contrastes d'IRM (Dr. Rick Hoge)

3. (30 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Reconstruction d'images (Dr. Rick Hoge)

4. (6 février) ‐‐‐‐‐‐ BOLD et devis expérimentaux

5. (13 février) ‐‐‐‐‐‐ Prétraitement

6. (20 mars) ‐‐‐‐‐‐ Analyses d'images IRMf

7. (12 mars) ‐‐‐‐‐‐ Normalisation

8. (19 mars) ‐‐‐‐‐‐ IRM structurelle

9. (26 mars) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 1***

10. (2 avril) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 2***

11. (9 avril) ‐‐‐‐‐‐ Etudes de connectivité par IRMf (Dr. Pierre Bellec)

11. (23 avril) ‐‐‐‐‐‐ **Examen théorique**

Ateliers informatiques(Jean-Sebastien Provost et Ahmed Ibrahim)

1.Vérification des données et pré-traitement

2.Modèle linéaire

3.Moyennage et normalisation

4.Seuillage et visualisation des données

5.Repérage des zones et report des résultats

6.Examen pratique (données à analyser)

Résolutions temporelles et spatiales

Chaque technique a une résolution temporale et spatiale différente.

Études anatomiques

Études Fonctionnelles

Études physiologiques

Techniques d’IRM

Pas couverts dans ce cours

Notre Siemens

3T

Histoire La première image IRM a été publiée en

1973

La première image d’un sujet humain a été complétée en 1977 et a pris presque 5 heures à acquérir (Damadian et al.)

En 2003, Dr. Paul Lauterbur et Sir Peter Mansfield ont reçu le prix Nobel pour leur découverte

Bobine de radiofréquenceLa bobine de radiofréquence nous donne différents champs de vision dépendemment de sa forme

Principes de base de l’IRM

Aimant: Champ magnétique (B0) très puissant (de 1 à 7T) et homogène, qui va inciter les protons d’hydrogène à s’aligner. **Champ magnétique de la terre = 0.00005T!!**

Bobine de radiofréquence: envoie une impulsion (B1) à la fréquence de résonance de l’hydrogène. Après être entrés en état de résonance, ces protons reviennent à leur état de base à des vitesses différentes suivant le tissu dans lequel ils se trouvent. Ceci génère un contraste (p.ex. T1)

Bobine de gradients: le signal généré par la RF ne nous donne pas d’information spatial en temps que tel, ce sont les bobines de gradients alignées sur trois axes (x,y,z) qui nous permettent de le faire.

• Spins des protons d’Hydrogène

IRM: Principes de Base

• Spins des protons dans le champ statique B0

IRM: Principes de Base

• Effets de radiofréquences en résonance

IRM: Principes de Base

• Temps de relaxation des spins (T1 et T2)

IRM: Principes de Base

• Temps de relaxation de T1 et T2

IRM: Principes de Base

IRM: Principes de Base

Principes de base de l’IRM

Gradients:Chaque gradient crée un champ dans une direction

différente. Il y en a donc trois, pour couvrir les trois axes.

IRM: SécuritéLe champ magnétique B0 est toujours présent, même lorsque le scanner n’est pas en marche.

Ceci veut dire que tout métal est interdit à tout temps dans la salle d’IRM

IRM: Sécurité

Différentes méthodesAnatomie

Peut être l’anatomie avec différents contrastes (T1, T2, PD), ou anatomie vasculaire

Voxel-based morphometryMéthode pour regarder les différences de volume de matière blanche ou grise entre plusieurs cerveaux

DTI (imagerie à tenseurs de diffusion)Sert à regarder les fibres de la matière blanche

SpectroscopieUtilise les “spins” d’autres molécules que l’hydrogène (tel que le carbone) pour créer une image

Anatomie: T1

Anatomie vasculaire

Voxel Based Morphometry

Brenneis et al., 2004 - JNNP

Imagerie en tenseurs de diffusion (DTI)

Spectroscopie

Imagerie en résonance magnétique

fonctionnelle(IRMf)

Principes de base de l’IRMf

On connait une relation entre l’activité cérébrale et le taux d’hémoglobine déoxygéné dans le sang

Début des années 90, il a été découvert qu’une séquence d’impulsions produites par l’IRM pourrait mesurer le taux d’hémoglobine déoxygénée

Ceci a donné naissance au Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) fMRI, ou T2*, qui nous donne une mesure indirecte de l’activité cérébrale

Principes de base de l’IRMf

Principes de base de l’IRMf (BOLD)

Arterial spin-labeling (ASL)

Utilise des pulses de RF sélectionnés spécialement pour marquer le sang artériel qui circule dans le cerveau.

Nul besoin d’injecter un agent de contraste (Comme en PET ou SPECT)

Les mesures de flux peuvent s’acquérir rapidement

Principes de l’ASL

1. Marquer le sang arteriel rentrant par inversion magnétique

2.  Acquérir l’ image marquée

3. Répéter l’éxpérience sans marquage4.  Acquérir l’image contrôle

Arterial spin-labeling (ASL)

Utilise des pulses de RF sélectionnés spécialement pour marquer le sang artériel qui circule dans le cerveau.

Nul besoin d’injecter un agent de contraste (Comme en PET ou SPECT)

Les mesures de flux peuvent s’acquérir rapidement

Principes de l’ASL

1. Marquer le sang arteriel rentrant par inversion magnétique

2.  Acquérir l’ image marquée

3. Répéter l’éxpérience sans marquage4.  Acquérir l’image contrôle

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

Principes de base de l’IRMf

Pour pouvoir visualiser un effet, il faut moyenner beaucoup de sujets avec beaucoup de runs chacun

L’idéal est moins de sujets mais des heures de scan (bien sûr impossible)

Types de dessins expérimentaux et analyses

Dessins expérimentauxBlock design (dessin en blocks)

Comparaison de longues périodes (ex 16s) d’une condition avec une longue période d’une autre condition

Approche traditionnelleLe plus puissant en termes statistiquesDépend moins du modèle hémodynamique créé

Event-related design (dessin évènementiel):Comparaison de conditions à périodes courtes (ex

1s)Assez nouveau (date d’à peu près 1997)Moins puissant statistiquement, mais a beaucoup

d’avantages

Dessins expérimentaux

Dessin en

blocks

Dessin évènementiel espacé

Dessin évènementiel mixte

AnalysesCorrection du mouvement

Chaque sujet bouge un peu pendant la sessionSi une structure est à une place au début et une

autre à la fin, les analyses ne seront pas valides

“Smoothing”, ou lissage

NormalisationChaque cerveau est différent, il faut qu’ils se

ressemblent pour pouvoir les comparer les uns aux autres

Application d’un modèle linéaire

Création de cartes statistiques

Pre-processi

ng

Analyses

Modeling the expected response (fmridesign)

(From Dr. J. Armony)

Modeling the data (GLM)

(From Dr. J. Armony)

Connectivité Connectivité

fonctionelle: On choisit une région

d’intérêt, et on voit quelles régions corrèlent avec

On ne verrait pas de différence entre ces deux situations

Connectivité effective: On choisit plusieurs

région d’intérêt et une région avec laquelle on pense qu’elle corrèle, et on regarde si c’est une corrélation directe ou non

On peut voir la différence entre ces deux situations

Connectivité

Le but est d’identifier les régions qui se co-activent – i.e. d’après le modèle linéaire, quelles régions varient ensemble?

Importance des hypothèses

“Science sans conscience n’est que ruine de l’âme!” (François Rabelais)

Une expérience sans question ou hypothèse ne sert pas à grand chose et peut être coûteuse!

L’important c’est la question, si l’IRMf peut y répondre. Il faut savoir faire des dessins expérimentaux appropriés.

Importance des hypothèses“We are also believers in good old-fashioned experimental design, like those dreaded psychophysicists that you keep mentioning. We try to teach our students that the most amazing patient or the most advanced method is useless if you don’t design the experiments right. Which may seem obvious, but apparently it isn’t always!”

“I worry that many of my colleagues have become so entranced with neuroimaging that they think cognitive neuroscience is just cognitive neuroimaging. This is really unfortunate because there are fundamental questions that imaging can’t answer and patient-based research can.”

Prof. Martha Farah

Variations dans l’IRMf

Attention: Attention les différences BOLD entre 2 groupes surviennent des différences d’activité neuronale, mais aussi différences dans le métabolisme chez les individus.

Cette différence augmente si l’on compare des individus d’âge différent ou atteints de maladies différentes

Certains chercheurs essaient de répondre à cette question, en faisant d’autres types d’acquisitions qui s’intéressent plus spécifiquement au métabolisme (ex Dr. Rick Hoge au CRIUGM)

Paramètres Nécessaires Paramètres Nécessaires lors de la Publication lors de la Publication

d’Articles en IRMfd’Articles en IRMf

Théorie proposéeThéorie proposéeMonitoring/Monitoring/associationassociation

Comparaison/Comparaison/SélectionSélection

AssociationAssociationstimulus/actionstimulus/action

OrganisationOrganisationdans la mémoire dans la mémoire

de travailde travail

Planification,Planification,sélection ou sélection ou

exécution d’une exécution d’une nouvelle action nouvelle action

NiveauxNiveaux

PutamenPutamen

CORTEXCORTEXPréfrontalPréfrontal

Caudé Caudé ventralventral

Caudé Caudé dorsaldorsal

DorsalDorsal9, 469, 46

VentralVentral47/1247/12

PostérieurPostérieurint 6, 8, 44int 6, 8, 44

STRIATUMSTRIATUM

Montreal Card Sorting Task, Étude I

Cue card

• Retrieval w/o shift

• Retrieval w/ shiftvs

Monchi et al., Ann. Neurol., 2006

Prédictions

avec changement: CPF-VL+ Noyau caudé

sans changement: CPF-VL, PAS de striatum

Montreal Card Sorting Task• Changement de règle continu

Matching according to colourMatching according to colour Matching according to numberMatching according to number

• Condition contrôle Prédictions

Changement de règle continu: CPF-VL, PAS de striatum

IRMf MCST: IRMf MCST: Contrôles en santéContrôles en santé

33

77T-stat T-stat

CueCue CardCard

Retrieval NO shiftRetrieval NO shift

VS

ControlControl

CueCue CardCard

Retrieval WITH shiftRetrieval WITH shift ControlControl

VS

X = 18X = 18Continuous shiftContinuous shift ControlControl

VS

Y = -4Y = -4

VL-PFC

Caudate

VL-PFC

No striatumNo striatum

VL-PFC

No striatumNo striatum

Monchi et al. Feb 2006, Annals of NeurologyMonchi et al. Feb 2006, Annals of Neurology

Continuous shiftContinuous shiftRetrieval WITH shiftRetrieval WITH shift

VS

Retrieval WITH shiftRetrieval WITH shift

VS

Retrieval NO shiftRetrieval NO shift

fMRI MCST: Healthy Controls

X = 12X = 12 2.52.5

55T-stat T-stat

Caudate

Le noyau caudé n’est pas particulièrement impliqué dans le changement de règle en soi, mais dans la planification d’une

nouvelle action.Monchi et al. Feb 2006, Annals of NeurologyMonchi et al. Feb 2006, Annals of Neurology

Cue CardCue Card CueCue CardCard

Cue CardCue Card

33

55T-stat T-stat

X = 12X = 12

CaudatePutamenPutamen

Lecture recommandée et remerciements

Functional Magnetic Resonance Imaging, de Scott A. Huettel, Allen W. Song et Gregory McCarthy

Mise en place des diapos Kristina Martinu, étudiante au PhD, PCAN lab

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