COURS 2-3 Neuroimagerie

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MTHODES DES NEUROSCIENCES

CM 2 & 3

Mthodes des neurosciences

1. Principes / buts / niveaux dtude

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bibliographie

EEG/MEG/SMT : lectrophysiologie de la cognition, Hot et Delplanque, Dunod

IRM/TEP : Lesprit en images, Posner et Raichle, DeBoeck Universit

Cerveau et psychologie: Introduction

l'imagerie crbrale anatomique et fonctionnelle Houd

et al., PUF

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Glossaire

EEG : lectroencphalographie

SEEG (iEEG) : EEG strotaxique (EEG intracranien)

MEG : magntoencphalographie

IRM : imagerie par rsonance magntique

TEP : tomographie missions de positons

SMT : stimulation magntique transcranienne

NIRS : spectroscopie proche infra-rouge

SCP : stimulation crbrale profonde

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But clinique: complter une dmarche

diagnostique/ valuation

But recherche: comprendre le

fonctionnement /structure du cerveau,

reprsentation des fonctions chez le sujets

sains, aprs lsion crbrale, plasticit

crbrale

Pourquoi la neuroimagerie en (neuro)psychologie?

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Que cherche-t-on voir?? La structure ou la fonction?

Imagerie Anatomique = Structurale : information sur lanatomique

-Rgions explore est-elle normale? Identifier atrophie et hypertrophie

-Existe-t-il une structure anormale? Quelle sont ces dimensions?

Imagerie Fonctionnelle : information sur la fonction

-La fonction tudie est-elle normale? Identifier hypo- ou

hyperfonctionnement?

-Lanomalie est globale ou partielle?

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Mthodes denregistrement directes

Mthodes denregistrement indirectes

hmodynamique

lectromagntique

Etude fonctionnelle

ELECTROPHYSIOLOGIE DE LA COGNITION, Dunod, 2013

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neurone

ms

cms

Rs

olu

tion s

pat

iale

Rsolution temporale min

MEG

EEG

IRMf PET

SEEG spatial resolution (~3mm) but a poor temporal one (~2sec)

temporal resolution (~1ms) but a poor spatial one (~2cm).

cm

Quelles mthodes pour tudier quoi ?

NIRS

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Chaque mthode se caractrise par une

rsolution spatiale et temporelle

spcifique et est plus ou moins

invasive et contraignante


Conditionne le choix des

techniques par rapport aux

objectifs dtude

(1) Localiser prcisment le rseau crbral impliqu: fMRI, TEP, NIRS, etc

(2) Etudier la dynamique du rseau crbral impliqu (dcours des activations crbrales

et interactions): EEG, iEEG, MEG, TMS, NIRS avec limites temporelles, etc.,


2. Mesures invasives

Niveau cellulaire/molculaire

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1. Imagerie anatomique

Donnes histologiques = structure des tissus - post mortem

Voir les rseaux et les connexions neuronales -invivo

techniques : traceurs (marqueurs ou sondes qui visent un type cellulaire ou molculaire)

Coloration cellulaire les constituants cellulaires sont de couleurs variables = dpend du colorant utilis

2. Imagerie fonctionnelle

Stimulation lectrique

enregistrement unitaire du neurone

A. Chez lanimal

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B. Chez lhomme : les enregistrements de champs locaux= enregistrement dune population de neurone: ECoG/sEEG

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ElectroCortigraphie (ECoG)

Llectrocorticographie (EcoG) est

lenregistrement de lactivit neuronale en

surface par lintermdiaire dlectrodes

directement places sur le cortex crbral.

Cet examen est pratiqu en chirurgie opratoire

aprs crniotomie dans le cadre de la chirurgie

curative dune pilepsie pharmacorsistante.

But dterminer ltendue exacte de la zone pileptogne car lexamen pr-opratoire na pas suffit

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EEG intracrbral (sEEG)

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EEG intracrbral (sEEG) permet denregistrer lactivit lectrique crbrale en profondeur

But dterminer le foyer pileptogne dans le

cadre dune pilepsie pharmco-rsistante

Enregistrement en temps rel (toutes les ms, voire plus) : excellente rsolution temporelle

Enregistrement au niveau des neurones : rsolution spatiale trs leve

Donne des indications sur lchelle cellulaire de lintgration des informations

Mthode hautement invasive

Avantages et inconvnients de la mthode

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3. LEEG et la MEG


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Les neurones en activit forment des dipoles

Activit de ces dipoles qui est enregistre

= activit lectromagntique crbrale:

excellente rsolution temporelle Enregistrement en temps rel (toutes les ms, voire plus) :

lectroencphalographie (EEG)

A. Principes communs ces techniques

Magntoencphalographie (MEG)

Champ magntique

qui est enregistr

Dipole transversal

Champ lectrique

qui est enregistr

Dipole

longitudinal

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B. La MEG

enregistrement des sources corticales du signal, pas des sources profondes Appareillage trs couteux

rsolution spatiale+++++

Capteurs du signal magntique: pour recueillir

le signal

Casque+ bobine

receptrice+SQUID(composant lectrique qui

chauffe bcp)

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B. La MEG

Recherche : Somatotopie sensorielle reprsentation sensorielle des doigts la surface

du cortex:

contribution la mise en vidence des phnomnes de plasticit crbrale (patients

avec membres amputs: douleurs fantmes)

- Applications

Clinique : localisation de la source des signaux neurochirurgie (pilepsie..)

Avantages par rapport ECoG et S-EEG : localisation prcise sans implantation delectrodes intra-cranienne

B. La MEG

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C. LEEG

rsolution spatiale mdiocre

Enregistrement distance des capteurs (qui se trouvent sur le scalp)

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Exemple de trac

C. LEEG

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on traite le signal avant de pouvoir interprter des rsultats On lanalyse En Temps/frquence ou par Potentiels voqus (PE)

C. LEEG

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2Hz

4Hz

8Hz

12Hz

16Hz

f

A

- Trac EEG en fonction du temps

Lanalyse temps /frquence

Regarder ce signal pour voir de quelle frquence est compose le signal

Analyse frquentielle :

TE

MP

S

FR

EQ

UE

NC

E

Dcomposer le

trac EEG

selon les

diffrentes

frquences

Il y a beaucoup de

signal 8hz dans le

trac EEG

C. LEEG

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- lanalyse temps/frquence

C. LEEG

Profils de Frquence tats de vigilance associe

Delta [1-4Hz[ Sommeil profond, coma

Thta [4-7.5Hz[ Endormissement, tats motionnels

Alpha [7.5-12.5Hz[ Veille diffuse, attention, mmoire, intelligence

Beta [12.5-30Hz[ Veille active, Sommeil paradoxal

Gamma >30 Hz Rythme de la conscience

sommeil

Activits mentales complexes

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Diffrentes valences Modifications lectrocorticales

- Les potentiels voqus

C. LEEG

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Bonne rsolution spatiale Moins bonne rsolution spatiale

4. Imagerie structurale: MTHODES MORPHOLOGIQUES

(ANATOMIQUES)


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- Tomodensitomtrie (Computer Tomography, CT ou scanner X): base sur les proprits des tissus absorber les rayons X, les rgions qui absorbent le plus sont les plus visibles.-> clinique -Imagerie par Rsonance Magntique Nuclaire (IRM)

-LIRM de diffusion

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Imagerie par Rsonance Magntique

(IRM) Principe

Technique non invasive

Image 3D du cerveau

Exploite les proprits magntiques de la molcule deau: IRMa montre les diffrences du contenu et de distribution de l'eau

dans les tissus du corps humain.

Proton H+

Proton H+

Le corps humain contient bcp dH2O (75% )

Les atomes dhydrogne ont des proprits magntiques: la base du signal rsonance

magntique nuclaire : RMN

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RMN: Rsonance magntique

nuclaire

Magntisation

Polarisation Application dun champ

magntique statique

Rsonance

(Bobines) Application dune

onde radio-frquence

Relaxation

Retour lquilibre

Phnomne RMN peut tre dcompos en trois tapes

Etat basal

les protons ont une

orientation alatoire

Si lon applique un champ magntique

(B0), ils salignent

Les protons

mettent un

signal RF

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Ensuite

des capteurs spciaux relaient cette information un ordinateur = coupe anatomique

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IRMa Coupes sagittales

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IRMa Coupes coronales

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IRMa Coupes horizontales (ou transversales)

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IRM anatomie crbrale

Coupe histologique Coupe IRM

Ainsi l' IRMa montre les diffrences du contenu et de distribution de l'eau dans les

tissus du corps humain.

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Le champ magntique B0

Mesure : tesla =T

Polarisation

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Le champ magntique B0

40

Attention !!

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Contre indications de lIRM

Il faut imprativement faire remplir un questionnaire mdical de compatibilit IRM

Exple : apport diagnostic dans la maladie dAlzheimer

Atrophie de lhippocampe et de lamygdale chez des patients Alzheimer Petrella et al., 2003

Application

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Base sur lIRM = IRM IDT (Imagerie du Tenseur de Diffusion). Elle permet de calculer en chaque point de l'image la distribution des directions de diffusion des molcules d'eau. Cette diffusion tant contrainte par les tissus environnants, on obtient indirectement la position, lorientation et la direction des structures des faisceaux de matire blanche du cerveau.

LIRM de diffusion

5. IRMf:


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IRM fonctionnelle (IRMf)

L'IRM fonctionnelle est fonde sur l'observation en

temps rel des variations de l'oxygnation du sang, sans

injection de traceur radioactif, puisque le traceur est

endogne (Hb).

Des examens rpts peuvent, de ce fait, tre raliss

sans aucun inconvnient non-invasif.

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IRM vs. IRMf

IRM tudie lanatomie IRMf tudie la fonction

L'IRM anatomique permet de voir en grands dtails les structures du corps humain et

en particulier du cerveau.

LIRM fonctionnelle ou IRMf permet d'tudier quelles rgions du cerveau sont impliques dans des activits comme: regarder des objets, entendre de la musique,

faire des calculs, mmoriser une liste de mots, ou ressentir des motions...

!! Mme principe

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IRMa vs. IRMf

IRMa

IRMf

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IRMf

Effets indirects de lactivation neuronale : Variations de volume sanguin

Variations de dbit sanguin

Variations de concentration en dsoxyhmoglobine par

rapport oxyhmoglobine (dcalage entre consommation et

quantit de O2 apport)

On mesure la concentration de dsoxy par rapport oxy =

rapport dsoxy/oxy => effet bold

Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD, Ogawa et al. 1990)

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Rapport 5/11

=0,45

Rapport 13/6

=2,1

repos activation

Conso faible

dO

Activit

neuronale:

Conso +

importante dO

=

Aug du rapport

dsoxy/oxy

Activit neuronale:

Aug. Du dbit et volume

sanguin

+

Apport ++++ importante

dO = conso dO

=

Dim du rapport dsoxy/oxy

Rapport 9/29

=0,3

Effet BOLD

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Dispositif exprimental

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TT donnes

Statistical Map superpose sur IRMa

~2s

Images fonctionnelles

Temps

~ 5 min

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Contraste Familier Neutre Nouveau peur

Contraintes identiques IRM anatomique

+

Contraintes exprimentales : Matriel exprimental diamagntique (pas

de matriel lectronique : ordinateur, casque audio, souris), bas sur des

miroirs ou des fibres optiques ou des tuyaux pneumatiques

Rsolution temporelle dpendant de la rponse hmodynamique

Lactivation neuronale est un phnomne lectrique rapide.

La rponse hmodynamique obtenue par effet BOLD met en jeu des processus physiologiques qui interviennent au niveau des capillaires sanguins

phnomne lent (15 s)

Avantages

% TEP : pas dutilisation de radioactivit ou de rayon X

innocuit (thorique) de lexposition au champ magntique


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6. La tomographie

missions de positons

TEP


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- Injection dun traceur radioactif dune composante fortement utilise par le cerveau

- La camra TEP estime la rpartition des traceurs dans lensemble du scalp

Toute activation crbrale se traduit par une augmentation

localise de la consommation dnergie (glucose, oxygne..) = activit mtabolique en lien avec une activit hmodynamique: cette activit

est enregistre

A. Principe de base

Le traceur inject est indolore, non

toxique et n'entrane pas d'allergie. Il

est faiblement radioactif.

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A. Principe de base

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Inclusion de lisotope radioactif dans la srotonine

- A gauche : TEP du cerveau dun sujet normal.

- droite : TEP dun sujet atteint de dpression svre.

B. Intrts de cette technique Perfusion rduite dans les lobes temporal

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Epilepsie et

mtabolisme du glucose

Hypersignal au niveau du foyer

Hyposignal au niveau du foyer

B. Intrts de cette technique

Inconvnients :

- Injection dun produit radioactif invasif,

2 injections doivent tre espaces de 8 10 min.

- Rsolution temporelle faible : 1 2 min pour enregistrer une image du cerveau entier

(constitue souvent de coupes de 2 mm dpaisseur)

remplacement progressif de la TEP par lIRMf (meilleure rsolution spatiale, pas linjection de

produit radioactif)

Avantages

- paradigme de psychologie sont ralisables

- matriel silencieux

- seule mthode permettant ltude des relations entre cognition et neurotransmission


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7. Limagerie optique: NIRS


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Spectroscopie dans le proche infrarouge

(NIRS)

Principe : absorption diffrentielle de la lumire proche infrarouge par lhmoglobine La molcule dHb vont rflchir la lumire de la NIRS en fonction de leur saturation en

O2:

on obtient la valeur doxygnation tissulaire

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Avantages

La non-invasit

La portabilit : possibilit d'utiliser cette technique en ambulatoire

Le cot limit : quipement entre 60 000 et 200 000 euros

technique amliorer ( ici le calcul du chemin optique qui est la base de la mesure en fNIR

rsolution temporelle faible (dpend de la rponse hmodynamique qui intervient plusieurs secondes aprs l'augmentation d'activit neuronale)

mesures des activits corticales superficielles

Mais Inconvnients

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Chaque mthode se caractrise par une

rsolution spatiale et temporelle

spcifique et est plus ou moins

invasive et contraignante


Conditionne le choix des

techniques par rapport aux

objectifs dtude

(1) Localiser prcisment le rseau crbral impliqu: fMRI, PET, NIRS, etc

(2) Etudier la dynamique du rseau crbral impliqu (dcours des activations crbrales

et interactions): EEG, iEEG, MEG, TMS, NIRS avec limites temporelles, etc.,

8. Techniques de stimulation


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stimuler lectriquement et de manire chronique (i.e., en

continu) des structures crbrales afin de stabiliser les

symptmes de certaines pathologies neurologiques et/ou

psychiatriques.

Populations cibles ce jour :

- Couramment : maladie de Parkinson, la dystonie, et les tremblements

essentiels.

- thrapeutique mergente : pathologies psychiatriques rsistantes :

dpression chronique rsistante

troubles obsessionnels compulsifs gravissimes

amlioration de la cognition dans les troubles mnsiques

troubles alimentaires.

A. La stimulation crbrale profonde

Lieux de stimulation (tendent se multiplier):

- thalamus

- ganglions de la base : STN, gl. Pallidus, capsule interne

-CCA

- Nx Accumbens

2 lectrodes de stimulation avec gnralement 4 plots de contact

protocole

A. La stimulation crbrale profonde

la maladie de Parkinson

la maladie dalzheimer

A2. La stimulation crbrale profonde

dans les pathologies structurales

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dans les pathologies structurales

2002 : 1 patient parkinsonien avec TOCs

Stimulation

PRE-Chirur. POST-chirur

80 %


dans les pathologies fonctionnelles

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dans les pathologies fonctionnelles

1. La stimulation magntique transcranienne

2. Stimulation transcranienne par courant direct

B. La stimulation magntique transcranienne (SMT)

B. La stimulation magntique transcranienne

Effets sur la dpression rsistante (depuis 1998)

Amlioration durable chez 30 70% des participants

Rmission entre 20 45% des participants

Pourcentage de rappel des photos en fonction de la latralit

(rose = D, bleu = G) et du moment de la lsion

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B. La stimulation magntique transcranienne

valuation du lien causal entre activit crbrale et cognitive

Blumenfeld et al., neuropsychologia, 2014

Effet de la SMT de la partie ventrale du lobe frontale SMT sur la mmoire long terme

Avant Arrire

- Perturbation + amlioration

- Perturbation + amlioration

Effet de la SMT de la partie ventrale du lobe frontale SMT sur la mmoire long terme

E. Vers une amlioration de nos capacits cognitives :

la neurostimulation

Tche de mmorisation

2012 : stimulation durant le sommeil renforce la mmoire ditems rcemment

appris

Documents

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