ESIL 2008. Dualité des premières cartographies De Gall à Brodmann

ESIL 2008

Dualité des premières cartographies

De Gall à Brodmann

Contribution de la neuropsychologie

Aires corticales impliquées dans le langage selon la classificassion de Brodmann

Approche histologiqueApproche histologique

CC

12

4

6

5

3

Cortex visuel

Cortex auditif

Limites de l’histologie corticale

Couches corticales misent en évidence par la coloration de Nissl.

Cartographie de l’activité métabolique Cartographie de l’activité métabolique

par la Cytochrome oxydasepar la Cytochrome oxydase

Exemple : cartographie du cortex somatosensorielExemple : cartographie du cortex somatosensoriel

structures « en tonneau »structures « en tonneau »

Le « ratonculus »Le « ratonculus »

Implantation Implantation

des vibrissesdes vibrisses

D’après Koshiba et al., 2005D’après Koshiba et al., 2005

Identification des structures activesIdentification des structures actives

et de leurs interconnectionset de leurs interconnections

Exemple d’un traçage des voies visuelles chez l’oiseau. La détection consiste Exemple d’un traçage des voies visuelles chez l’oiseau. La détection consiste en l’utilisation de traceurs fluorescents dans les structures activées.en l’utilisation de traceurs fluorescents dans les structures activées.

D’après Ikemoto et Wise., 2004D’après Ikemoto et Wise., 2004

Utilisation de la pharmacologie pour la cartographie Utilisation de la pharmacologie pour la cartographie fonctionnelle des structures cérébralesfonctionnelle des structures cérébrales

D’après Ikemoto et Wise., 2004D’après Ikemoto et Wise., 2004

Localisation des effets de Localisation des effets de

l’auto-injection de carbachol l’auto-injection de carbachol

(agoniste cholinergique) (agoniste cholinergique)

dans le mésencéphaledans le mésencéphale

Les méthodes de cartographie fonctionnelle :Les méthodes de cartographie fonctionnelle :

Electrique Métabolique Electrique Métabolique

EEG / MEG SPECT / TEP / IRMfEEG / MEG SPECT / TEP / IRMf

Notion de compromis méthodologique :Notion de compromis méthodologique :

1 - In vivo vs. Ex vivo1 - In vivo vs. Ex vivo

2 – Aigu vs. Chronique2 – Aigu vs. Chronique

3 - Résolution3 - Résolution

Cartographies basées sur Cartographies basées sur

le deplacement de charges électriques.le deplacement de charges électriques.

Ces techniques ont une excellente résolution temporelle.Ces techniques ont une excellente résolution temporelle.

EEGEEG

MEGMEG

Les techniques de cartographie basées sur le Les techniques de cartographie basées sur le

métabolisme cérébral ont une excellente résolution métabolisme cérébral ont une excellente résolution

spatiale : TEP, IRMf…spatiale : TEP, IRMf…

Couplage entre l’activation neuronale etCouplage entre l’activation neuronale et

la réponse hémodynamiquela réponse hémodynamique

Effet Effet BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)

L’électroencéphalogrammeL’électroencéphalogramme

Mesure de l’activité électrique d’une population neuronale

Malheureusement…

L’activité enregistrée ne correspond pas à :

toute l’activité cérébrale mais essentiellement à l’activité corticale

toute l’activité corticale mais essentiellement à l’activité des neurones pyramidaux

toute l’activité des neurones pyramidaux mais essentiellement à l’activité dendritique

toute l’activité dendritique mais seulement à sa partie suffisamment synchrone.

Tracés EEG obtenus au cours de différents états de vigilance. L’amplitude du tracé et sa fréquence varient en fonction du niveau de vigilance. Plus le niveau de vigilance diminue, plus l’amplitude augmente et la fréquence diminue.

DELTA : < 4 Hz (sommeil profond, coma)

THETA : 4-8 Hz (activité limbique : mémoire et émotions)

ALPHA : 8-12 Hz (sujet alerte, sans traitement actif de l’information)

BETA : 13-30 Hz (sujet alerte, traitement actif de l’information)

GAMMA : > 30-35 Hz (pourrait être relié à la conscience, c-à-d le lien entre différentes régions cérébrales pour former un concept cohérent)

Les fréquences des ondes cérébrales s’étendent de 0.25 Hz à ~ 60 Hz. Profils de fréquences associés à certaines activités :

Epilepsie

= Stimulus

= Potentiel évoqué par le Stimulus

Le moyennage des potentiels évoquésLe moyennage des potentiels évoqués

Le moyennage des potentiels évoquésLe moyennage des potentiels évoqués

Nécessité d’appliquer les stimulus à des délais identiques !

Et même à cette condition… la latence des réponses neuronales peut varier d’un essai à l’autre!!

La reconstruction des imagesLa reconstruction des images

Problème de la localisation des sources

Cortex

Cuir chevelu

Recouvrements dans l’espace(et recouvrements dans le temps)

Il faut essayer de séparer les sources : Filtrage spatialMéthodes statistiques

La reconstruction des imagesLa reconstruction des images

La magnéto-encéphalographie

Mesure des champs magnétiques induits par l’activité électrique des neurones.

On enregistre directement à la surface du crâne les champs magnétiques émis par l’activité des neurones.

Le principe de baseLe principe de base

Magnétomètre

Les capteurs (248/306) sont regroupés dans un casque.

Les capteurs sont reliés à des SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) = dispositif supraconducteur, refroidis à l’hélium liquide (-271°C).

Les SQUID permettent de mesurer des champs magnétiques très faibles (10-15 T)

On trace ensuite l’amplitude des champs magnétiques en fonction du temps

L’instrumentation MEGL’instrumentation MEG

L’environnement technique de la MEGL’environnement technique de la MEG

• Cage en μ-métal (imperméable à tout champ magnétique extérieur)

• Cage de Faraday

• Appareils de stimulation amagnétiques

• Élimination des perturbations électriques

• Démagnétisation de tous les objets

• Démagnétisation des sujets

MEG & EEG: quelles différences ?

Imagerie par résonance magnétique

0.2 T 3 T

Il diminue avec l’intensité du champ magnétique :

Les parametres de l’IRMLes parametres de l’IRM

Le contraste : Différence de signal entre 2 régions adjacentes

La résolution spatiale IRM clinique : taille d’un voxel : 1´1´5 mmMicro-imagerie : taille d’un voxel : 0.2´0.2´1 mm

La résolution temporelle : de l’ordre de la seconde

OsEau

Substance blanche

Substancegrise

Graisse

Oedème

Pondération T1 Pondération T2

Os

Différents types de contraste

Les parametres de l’IRMLes parametres de l’IRM

Augmentation de l’activité électrique neuronale

Augmentation du métabolisme (diminution des réserves en glucose

et en O)

Augmentation du flux sanguin (réponse hémodynamique)

Augmentation de l’oxygénation

sanguine?

Mesure du signal

Modèle de changements physiologiques liés à l’activité cérébrale:

La méthode d’IRMf: Bases physiologiques du couplage

de l’activité métabolique et hémodynamiquede l’activité métabolique et hémodynamique

L’oxyhémoglobine possède des propriétés

diamagnétiques

OO22 OO22

OO22 OO22

La désoxyhémoglobine possède des propriétés

paramagnétiques : agent de contraste intrinsèque

Diminution du signal RMN

Pas de perturbation du signal RMN

L’activité hémodynamiqueL’activité hémodynamique

Miroir Vidéo-projecteurEcran

Champ magnétique

Clavier ergonomique

Câbleblindé

Cage deFaraday

ordinateur

Codageoptique

Fibresoptiques

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

Contrôle du déroulement de l'expérienceAnalyse des performances psychophysiques

Les contraintes de la stimulationLes contraintes de la stimulation

Environnement sonore :Bruit permanentAcquisition anatomiqueSéquences fonctionnelles

Environnement spatial :ExiguitéIsolementStress

Exemple de résultat en IRMf :Exemple de résultat en IRMf :

Cartographie des aires corticales impliquées dans Cartographie des aires corticales impliquées dans l’acquisition du langage chez l’enfant.l’acquisition du langage chez l’enfant.

D’après Hertz-pannier et al., 2004D’après Hertz-pannier et al., 2004

La Tomographie par Emission de Positons

• Le principe :

La TEP est une méthode hémodynamique. Elle permet de visualiser les conséquences de l’activité des neurones sur le débit sanguin cérébral régional.

On injecte dans le sang un traceur radioactif.

On observe la concentration de ce traceur dans le corps.

Le temps efficace pour tester une tâche est relativement court à cause de la période rapide de la source de radioactivité. Après chaque tâche, le sujet doit attendre plusieurs minutes pour que le niveau de radioactivité émis soit négligeable avant de recevoir une nouvelle dose pour la tâche suivante.

Au cours d’un examen fonctionnel, une douzaine d’injections de radio-isotope est nécessaire pour obtenir une bonne carte des activations cérébrales.Les doses de radioactivité reçues par un sujet durant une session de TEP sont peu élevées, mais on ne permet tout de même qu’une seule session par année à un même sujet.

Contraintes de la TEP

Inconvénients :

• Invasif : radioactivité• Multiples injections (délai)• Faible signal• Résolution temporelle ~ min

Avantages :

• Résolution spatiale ~ cm• Acquisition 3D• Marquage par différents traceurs :

étude du devenir de différents métabolites

Fusion MEG/EEG et IRMf

Pourquoi?

Comment?

Les spécificités des différentes techniques

Intérêt de la fusion

Sans les électrodes

Sans les électrodes

Avec les électrodes

Avec les électrodes

La qualité des images IRMLa qualité des images IRM

Avant correction Après correction

La qualité des signaux EEGLa qualité des signaux EEG

Combiner les techniques et améliorer les résolutions :Combiner les techniques et améliorer les résolutions :

EX 1 / IRMF / EEG Ex 2 : IRM / TEPEX 1 / IRMF / EEG Ex 2 : IRM / TEP

La fusion des techniquesLa fusion des techniques