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

MontréalMontréal

Vaisseaux rouges:Art. Mid

Vaisseaux verts:Art. Ant

Vaisseaux bleus:Art. Mid

Vaisseaux noires:Veines

Rouge:Art.

Noir:Veines

OPFC

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

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 + moment magnetique significatif

Augmentation taux Hemoglobine désoxygénémoins le champ est homogène T2*

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 avoir sur la relâche de neurotransmetteur (p. ex. 11C qui se lie au

récepteur D2 du striatum).

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 ? 

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 ? 

• Quel serait le titre de l’article dans ‘Nature’ si ça marche ?

Réfléchir avant d’agir 3

• 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 2

• Nombre de volumes• Nombre de Runs

• Sessions Multiples • Nombre de Tranches

• Résolution• Orientation des Tranches

Subtraction LogicCognitive subtraction originated with reaction time

experiments (F. C. Donders, a Dutch physiologist).

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: You can insert a component process into a task without disrupting the other components.

Widely criticized (we’ll come back to this when we talk about parametric studies)

Exemple :

T1: Appuyez sur le bouton quand vous voyez une lumièreT2: Appuyez sur le bouton quand la lumière est verte mais

pas rougeT3: Appuyez sur le bouton gauche quand la lumière est

verte et sur le bouton droit quand la lumière est rouge

T2 – T1 = temps pour faire la distinction entre les couleursT3 – T2 = temps pour prendre une décision

Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common

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.

 5. Experimentation is everything.Source: students in the Dartmouth McPew Summer Institute

Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common

 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.

Source: students in the Dartmouth McPew Summer Institute

Now you should get this joke!

Subtraction Logic: Brain ImagingExample: Our simple MT localizer

T1: View stationary rings

T2: View moving rings=> T2 – T1 = “motion” areas

Possible factors removed• retinal adaptation

You must always consider the possible components you could be adding or affecting.

More sophisticated designs (e.g., parametric designs, conjunction designs) may better address true contribution of

components.

Possible factors added• motion

• attentional salience

Design Bloc• État Stable

• Conditions control et activation

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

• Les acquisitions de volume sont synchronisées

avec les essais

• Bon design 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 control ou par rapport à la composante cognitive

B

fMRI Activation: Block Design

timeROI

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1802600

2620

2640

2660

2680

2700

2720

2740

2760

2780

2800

Time (s)S

ign

al

-2

2

6

14

10

t-value

stimulusoff

on

image acq

time

Dessein évènementiel (Espacé) 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 « control » en blocs. Cela peut-être mieux que de les présenter de manière

aléatoire.

fMRI Activation: Event Related

time

ROI

stimulusoff

on

image acq

time

-2

2

6

14

10

t-value

0 5 10 15 20 2599

100

101

102

103

104

105

Time

RO

I Sig

na

l

stimulus

average time course

Event Related (Spaced) Auditory Study

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

Event Related Auditory Study

Design 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 « control ».

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

WisconsinWisconsin Card Sorting Task Card Sorting Task

Bergman et al., 1995

Wisconsin Card Sorting Task: Study I.1

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

WCST study fMRI Methods• Un nouveau design 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 1.9 secs

WCST study fMRI Methods

• 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

WCST: Young ControlsWCST: Young Controls

Shift Planning

Vs.

Negative FeedbackNegative Feedback

Control FeedbackControl Feedback

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

Wisconsin Card Sorting Task – Normal SubjectsWisconsin Card Sorting Task – Normal Subjects Shift Execution Shift Execution

Z = 26Z = 26

3.53.5

66T-stat T-stat

Z = 6Z = 6

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

Z = 42Z = 42

3.53.5

66

T-stat T-stat

Y = 34Y = 3433

55

T-stat T-stat

WCST: Young ControlsWCST: Young ControlsSet MaintainingSet Maintaining

Compared to

Positive Feedback – Control FeedbackPositive Feedback – Control Feedback

Consistent with the Consistent with the monitoringmonitoring role role of of DLPFC DLPFC within Working Memorywithin Working Memory

Results in Young Controls:Results in Young Controls:Negative Feedback – Positive FeedbackNegative Feedback – Positive Feedback

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

fMRI Activation: Phase-Encoded Design

• 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

fMRI Activation: Phase-Encoded Design

• phase mapping

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

Résumé des différents Designs• Design Bloc : Présentation des stimuli en bloc / synchronisation de

l’acquisition du volume

• Design Evènementiel Classique : Présentation régulière ou irrégulière des stimuli habituellement

Stimulus-Control/désynchronisation de l’acquisition de volume pour la réponse transitoire

• Design Evènementiel Essais mélangés : Evènements multiples, présentation aléatoire des stimuli, besoin de beucoup 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!)

Some Constraints

Scan Quickly but not<< 1.5s

Acquire as many frames as possible However subjects

get tired session Max. 2 HoursUnless Sleep Expt !

Compromis / Tradeoffs

“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 / Tradeoffs

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

volume est long• e.g., 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

• e.g., matrice 128x128 pour 1 tranche vs. matrice 64x64 pour 4 tranches

EXCEPT when the activated region does not fill the voxel (partial voluming)

Voxel size

3 x 3 x 6= 54 mm3

e.g., SNR = 100

3 x 3 x 3= 27 mm3

e.g., SNR = 71

2.1 x 2.1 x 6= 27 mm3

e.g., SNR = 71

isotropic

non-isotropic

non-isotropic

In general, larger voxels buy you more SNR.

More Constraints

Haute résolution I.e. 128 x 128Bon 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 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)

Tranches 2

• 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 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

• e.g., 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! (suite)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 : 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

Dealing with frustration

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

Remerciements: Cécile Madjar

Some slides from Dr. Jody Culham’s design tutorials

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