Imagerie par Résonance Magnétique Fonctionnelle

Technique, méthodes, outils

Jean-Luc Anton, Bruno Nazarian, Muriel RothCNRS – Centre IRMF de Marseille

Imageries fonctionnelles

Imagerie fonctionnelle …Imagerie fonctionnelle …

• Localisation des zones cérébrales mises en jeu par des taches simples

• Cartographie des fonctions mentales

• Neurosciences fonctionnelles

• Neurosciences comportementales

• Sciences cognitives

Un peu de théorie …Un peu de théorie …

• Neurones

• Axones – Dendrites

• Synapses

• Neurones : Courants électriques : PA

• Synapses : Neurotransmetteurs

Première approche : localiser l’activité électriquePremière approche : localiser l’activité électrique

• Electro-encéphalographie (EEG)

Mesure du Potentiel électrique.

Ordre de grandeur : quelques microvolts

Capteurs : électrodes

• Magnéto- encéphalographie (MEG)

Deuxième approche : localiser l’activité magnétiqueDeuxième approche : localiser l’activité magnétique

Mesure du champ magnétique.

Ordre de grandeur : 10-13 tesla

Capteurs : SQUID couplés à des bobines

Appareillage très coûteux

Approches électromagnétiquesApproches électromagnétiques

Inconvénients :

• Aspect spatial (localisation des sources, solution unique ?)

• Coût pour la MEG

• Environnement technologique pour la MEG

Avantages :

• Résolution temporelle

• Non invasives

• Faible coût pour l'EEG

Troisième approche : le vecteur vasculaireTroisième approche : le vecteur vasculaire

Imagerie métabolique et hémodynamiqueImagerie métabolique et hémodynamique

Conséquences locales des activités électriques :

• Neurotransmetteurs : coûteux en énergie

• Augmentation de l’apport de glucose

• Modulation du débit sanguin

La Tomographie par Émission de Positon (TEP)La Tomographie par Émission de Positon (TEP)

Système tomographique :

• Source radioactive• Récepteurs en rotation• Reconstructions informatiques

• Isotopes spécifiques (traceurs)

La Tomographie par Émission de Positon (TEP)La Tomographie par Émission de Positon (TEP)

Inconvénients :

• Rayonnement radioactif

• Multiples injections (délai)

• Faible signal

• Résolution temporelle (mn)

Avantages :

• Résolution spatiale

• Nature tridimensionnelle

Imagerie par Résonance Magnétique Fonctionnelle

L’Imagerie par Résonance Magnétique NucléaireL’Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire

Une technique d'imagerie radiologique

• Non invasive

• Fondamentalement 3D

• Bonne résolution spatiale (mm)

• Signal intrinsèque de l'organisme

• Simultanéité anatomie/imagerie fonctionnelle

Le chant des protonsBloch et Purcell1946

Onde RF

Principe de l’IRM …Principe de l’IRM …

Principe de l’IRM …Principe de l’IRM …

La relaxation est un phénomène complexe

• Plusieurs relaxations

• T1, T2, T2*

• Produits de contraste

• T1 : images anatomiques

• Mesure de la relaxation à l'origine de l'aspect tridimensionnel des acquisitions IRM

L’Imagerie par Résonance Magnétique NucléaireL’Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire

Une technique d'imagerie fondamentalement 3D

Tranche de "voxels"(Pixels 3D)

Volume numérique(VN)Grille de "pixels"

L’IRM… FonctionnelleL’IRM… Fonctionnelle

Activité cérébrale (localisée)

• Augmentation de la Hb-O2

• Diminution de la déoxy-Hb (paramagnétique)

• Les protons restent plus longtemps en phase

• Augmentation du signal IRM(effet T2)

Agent de contraste intrinsèqueAgent de contraste intrinsèque

Exemples d'images (2D)Exemples d'images (2D)

Séquence pondérée en T1 :

Image anatomique

Séquence pondérée en T2 :

Image fonctionnelle

Protocoles et Traitements

Principes biophysiques de l'IRMfPrincipes biophysiques de l'IRMf

signal

temps4 - 6 sec.

• Mesure indirecte de l'activité cérébrale(effets métaboliques de l'activité électrique des neurones activés)

• Phénomène mesuré dans les vaisseaux sanguins (capillaires, veinules, …) qui drainent le territoire cérébral activé

• Localisation spatiale relativement précise (mm3) mais à considérer avec prudence

• Décours temporel du signal IRMf lissé et délayé par la fonction hémodynamique

Paradigme expérimentalParadigme expérimental

Comparaison de 2 conditions comportementale

• Tâche 1 et Tâche 2

• Régions cérébrales activées de façon différentielle

• Exploitation des variations locales d'inhomogénéités de champ magnétique entre une phase de "contrôle" (OFF) et une phase de "tâche" (ON).

• Traitement statistique

Protocole "bloqué" (block design)Protocole "bloqué" (block design)

Paradigme de type ON/OFF en créneaux.

Signal attendu dans les régions activés par la tâche 1 en comparaison avec la tâche 2

Acquisition

TempsProtocole

30 s - 1 min

Tâche 1 Tâche 1Tâche 2 Tâche 2

• Au cours de chaque période (bloc), le sujet reproduit de nombreuses fois la même tâche -> Problèmes liés à la fatigue et l'habituation

• Les données sont traitées par blocs -> Pas d'information temporelle

Protocole "évènementiel" (event related fMRI)Protocole "évènementiel" (event related fMRI)

Signal attendu dans les régions activés par la tâche 1 en comparaison avec la tâche 2

Séquence d'acquisition IRM ultra-rapide (EPI)• A chaque essai, le sujet réalise une fois la tâche• Possibilité de mélanger différents types d'essais • Possibilité de trier les essais à postériori lors du traitement statistique

(séparer les ≠ conditions, correspondance avec le comportement, …)• Activité cérébrale plus focalisée et plus spécifique• Analyse de la forme temporelle de l'activation (régime transitoire)• Relation avec les protocoles EEG, MEG

Acquisition

ProtocoleDélai (10 - 20 s)

Temps

Tâche 1 Tâche 1

Tâche 2 (="repos")

Traitement des imagesTraitement des images

1 – Pré-traitements

• Correction du bougé : recalage des images fonctionnelles

• Correction de la ligne de base : prise en compte des artéfacts liés à la respiration, au rythme cardiaque

Traitement des imagesTraitement des images

2 – Traitement statistique

• Établir une corrélation stimulus/réponseMéthode de corrélationSPM (régression multivariée)

• Seuillage des zones activées

Modèle linéaire généralisé : SPM99Modèle linéaire généralisé : SPM99

Acquisition (images fonctionnelles)

t

Tâche A Tâche ATâche B Tâche B

Signal IRMf dans un voxel :

Y(t)

Régresseurs modélisant les réponses aux tâches A et B :

RegA (t)

RegB (t)

Modèle linéaire généralisé : SPM99Modèle linéaire généralisé : SPM99

Estimation du modèle : coefficients β Y(t) = βA.RegA(t) + βB RegB(t) + Err(t)

βA.RegA(t)

βB RegB(t)

Err(t)

Y(t)

Les composantes du signal hémodynamiqueLes composantes du signal hémodynamique

1 – Activation « stimulus/réponse »

• Prise en compte dans le modèle linéaire

• Délayée dans le temps

2 - Facteurs physiologiques

• Battement cardiaque – Non régulier

• Respiration

• Stress, …

Enregistrer les données physiologiquesEnregistrer les données physiologiques

Battement cardiaque – Pléthysmographie

Capteur de respiration

Stress, émotion : Réponse électro-dermale

A intégrer dans la mise en place du modèle d’analyse

Traiter les données physiologiquesTraiter les données physiologiques

Seuillage de cartes statistiquesSeuillage de cartes statistiques

… et superposition avec l'anatomie individuelle

* Problèmes de Radio-Fréquence : pénétration

(Présence d’un casque EEG)

Traitement de l’image anatomiqueTraitement de l’image anatomique

Traitement de l’image anatomiqueTraitement de l’image anatomique

Correction du biais : à droite l’image corrigée : la substance blanche est plus uniforme

Traitement de l’image anatomiqueTraitement de l’image anatomique

Visualisation 3D : Substance grise, isolement et segmentation de la substance grise et visualisation 3D de la substance blanche

Visualisations tridimensionnellesVisualisations tridimensionnelles

• Fusion entre rendu volumiques des images anatomiques et les visualisations statistiques issues des images fonctionnelles

Visualisations tridimensionnellesVisualisations tridimensionnelles

« Gonflement ». Visualisation des gyri (gris clair) et du fond des sulci (gris foncé)

(Travaux du SHFJ à Orsay et du L6 à Marseille)

Visualisations tridimensionnellesVisualisations tridimensionnelles

Les « connexions » entre différentes parties du cortex se réalisent grâce aux fibres présentes dans la substance blanche

Fibres de projection

Imagerie IRM de diffusion (IRMd)Imagerie IRM de diffusion (IRMd)

Fibres commissurales (connexions interhémisphériques)

• Principe :• Encodage spatial de la diffusion des molécules dans le tissu

cérébral

• Utilisation d’une séquence RMN spécifique

– Hypothèse :• Dans la matière blanche, les molécules d’eau diffusent

préférentiellement le long des fibres

• Acquérir des images des directions prédéfinies

Imagerie IRM de diffusion (IRMd)Imagerie IRM de diffusion (IRMd)

* « Tracking » des fibres

Imagerie IRM de diffusion (IRMd)Imagerie IRM de diffusion (IRMd)

* Reconstruction des faisceaux

Imagerie IRM de diffusion (IRMd)Imagerie IRM de diffusion (IRMd)

Applications, études et projets

Le centre IRMf de la Timone, à MarseilleLe centre IRMf de la Timone, à Marseille

miroirsprojecteurécran

champ magnétique

clavier ergonomique

cable blindé

cage de Faraday

ordinateur

codage optique fibres

optiques

Stimulation sensorielle (visuelle, auditive, ...) et acquisition des réponses du sujet en temps réel

--> Contrôle du déroulement de l'expérience --> Analyse des performances psychophysiques

Exemple

Mise en œuvre technique du protocole dans l'environnement IRM

Description d'une expérience typique en IRMfDescription d'une expérience typique en IRMf

Le banc de stimulationLe banc de stimulation

Système temps réelPC (Windows NT), Labview, Cartes National InstrumentsSynchronisation par les acquisitions IRM

Plaque à filtres

PC de stimulation

Connectique dans la salle

* Visuelle: vidéo projecteur dans une cage de Faradayobjectif longue focale, jeu de miroirs et écranimages fixes ou séquences vidéos

* Acoustique: système piezzo-électrique (et … pneumatique)* Vibrations: turbines à air comprimé / lames piezzo

(fuseaux neuro-musculaires / récepteurs tactiles)

En cours d’installation :* Motrice: génération de mouvements du poignet

Banc deBanc de stimulationstimulation

Recueil des données / réponsesRecueil des données / réponses

- Claviers 5 touches (Main D et G)- Souris trackball avec 2 boutons- Joystick- Angles articulaires et force motrice

- Microphone piezzo-électrique ( )

- Battements cardiaques, respiration- Réponse électro-dermale

En cours de développement :- Mouvements oculaires- EMG, EEG

L'environnement d'expérimentationL'environnement d'expérimentation

Environnement sonore

Bruit permanent

Acquisition anatomique

Séquences fonctionnelles

Environnement spatial

Exiguité

Isolement

Stress

Thématiques NeuroscientifiquesThématiques Neuroscientifiques

- Action et Perception (11 projets)

- Langage, Mémoire, Attention (11 projets)

- Plasticité et Neurologie (7 projets)

Trois axes majeurs

Bibliographie sommaireBibliographie sommaire

Romaiguère P, Anton JL, Roth M, Casini L, Roll JP“Kinaesthesia activates both motor and parietal cortical areas in humans:a parametric fMRI study”Cognitive Brain Research (2002)

Longcamp M, Anton JL, Roth M, Velay JL“The Sensorimotor Component of Letter Representation”Neuroimage (en révision)

Schön D, Anton JL, Roth M, Besson M“An fMRI study of music sight-reading ”Neuroreport (en révision)

Chabanne V, Péruch P, Anton JL, Roth M, Thinus-Blanc C “An fMRI investigation of dissociation between spatial and object recognition and memory”Eighth International Conference on Cognitive Neuroscience, Porquerolles, Septembre 2002

Brett M, Anton JL, Valbregue R, Poline JB“Region of interest analysis using an SPM toolbox”,Human Brain Mapping, Juin 2002 (Abstract)

+ …

- Acquisition IRM

- Conception des protocoles

- Traitements des données

Trois axes majeurs

Recherches méthodologiquesRecherches méthodologiques

Illustration(s) : TonotopieIllustration(s) : Tonotopie

JL Anton, M Roth, B Nazarian, JM Badier, C Liégeois-Chauvel, P Belin

Acquisition IRM éparpillée (sparse imaging)

Sons aigus vs sons graves

Stimulation saccadée …

750 Hz 2000 Hz

Illustration(s) : TonotopieIllustration(s) : Tonotopie

Acquisition IRM éparpillée(sparse imaging)

Son aigu (2000 Hz)

Son grave(750 Hz)

Intersection

L LR R

TonotopieTonotopie : : Topologie fonctionnelle

TonotopieTonotopie : : Topologie fonctionnelle

Perspectives scientifiques

- Relation avec des modèles précis, paramètriques

- Analyse spatiale et temporelle

- Connectivité fonctionnelle

- Fusion IRMf – EEG - MEG

Perspectives scientifiques MEG : Instrumentation

MEG versus IRMf

• Mesure directe

• Résolution temporelle : ms

• Résolution spatiale variable : cm

• Analyse des processus temporels

• Silencieuse

• Mesure indirecte

• Résolution temporelle : s

• Résolution spatiale : mm

• Accès aux structures profondes

Mise en oeuvre expérimentale procheMise en oeuvre expérimentale procheComplémentarité des deux techniquesComplémentarité des deux techniques

Perspectives scientifiques Fusion IRMf & MEG

Perspectives pour la recherche clinique

Implication encore timide de la communauté médicale marseillaise …

L’IRM fonctionnelle, un outil puissant et prometteur pour :

- Cartographie fonctionnelle précise en pré-opératoire

- Nouvelles méthodes diagnostiques précoces de pathologies cérébrales

- Meilleure compréhension des maladies dégénératives (suivi longitudinal)

- Suivi de la récupération fonctionnelle après lésion cérébrale

- Localisation des foyers épileptogènes (couplage avec EEG)(complémentarité avec l’EEG, la MEG et la SEEG)

Centre IRMf (Bâtiment extérieur)CHU La Timone264, Rue Saint Pierre13385 MARSEILLE Cedex 05

Tél: 04-91-38-47-56/9Fax: 04-91-38-47-57E-mail: irmf@lnf.cnrs-mrs.fr

http://irmfmrs.free.fr

A propos …