Rad 6005 2015_12janvier

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

Jean-Sébastien Provost, PhD

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

RAD6005 – Introduction à l’IRMf

Plan du cours RAD6005, hiver 2015

!  11 conférences de 3 heures

!  5 travaux pratiques de 3 heures devant ordinateur

!  1 examen devant ordinateur (25%)

!  1 présentation (10%)

!  1 examen écrit (65%)

!  3 crédits

8 avril

20 avril

23 et 30 mars

Cours théoriques 1. (12 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction IRM et anatomie

2. (19 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction aux contrastes d'IRM (Dr. Gilles Beaudoin)

3. (26 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Reconstruction d'images (Dr. Gilles Beaudoin)

4. (2 février) ‐‐‐‐‐‐ BOLD et devis expérimentaux

5. (9 février) ‐‐‐‐‐‐ Prétraitement

6. (16 février) ‐‐‐‐‐‐ Analyses d'images IRMf

7. (9 mars) ‐‐‐‐‐‐ Normalisation

8. (16 mars) ‐‐‐‐‐‐ IRM structurelle

9. (23 mars) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 1***

10. (30 mars) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 2***

11. (6 avril) ‐‐‐‐‐‐ Etudes de connectivité par IRMf (Dr. Pierre Bellec)

12. (20 avril) ‐‐‐‐‐‐ **Examen théorique**

Ateliers informatiques (Josiane Bourque)

1.  Vérification des données et pré-traitement (18 février)

2.  Modèle linéaire (25 février)

3.  Moyennage et normalisation (11 mars)

4.  Seuillage et visualisation des données (18 mars)

5.  Repérage des zones et report des résultats (25 mars)

6.  Examen pratique (données à analyser, 8 avril)

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

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

Notre Siemens

3T

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.

Bobine de radiofréquence

!  La bobine de radiofréquence nous donne différents champs de vision dépendemment de sa forme

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.

•  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

Anatomie: T1

IRM: Sécurité

!  Le 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 méthodes !  Anatomie

Peut être acquise avec différents contrastes (T1, T2, PD) qui va donner des informations complémentaires, ou anatomie vasculaire

!  Voxel-based morphometry (méthode d’analyse) Méthode 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

!  Spectroscopie Utilise 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 connaît une relation entre l’activité cérébrale et le taux d’hémoglobine déoxygénée 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 pulsations de RF sélectionnées 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’expérience sans marquage

4. 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

Types de designs expérimentaux et analyses

Designs expérimentaux !  Block design (design en blocs)

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

!  Approche traditionnelle !  Le plus puissant en termes statistiques !  Dépend moins du modèle hémodynamique créé

!  Event-related design (design événementiel): !  Comparaison de conditions à périodes courtes (ex 1s) !  Plus récent environ 1998 !  Moins puissant statistiquement, mais a beaucoup

d’avantages

Dessins expérimentaux

Design en blocks

Design événementiel

espacé

Design événementiel

mixte

Analyses !  Correction du mouvement

!  Chaque sujet bouge un peu pendant la session !  Si une structure est à une place au début et une autre à la

fin, les analyses ne seront pas valides

!  “Smoothing”, ou lissage

!  Normalisation !  Chaque 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-processing

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)

Lecture recommandée et remerciements

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

!  Diapositives gracieuseté de Oury Monchi, PhD