Cours 21/11/2001 LENA - UPR 640 CNRS Imagerie C”r”brale ... Line/CoursLine01.pdf · - Neurologie - Sciences Cognitives Sommaire. Cours 21/11/2001 LENA - UPR 640 CNRS Imagerie

Cours 21/11/2001 LENA - UPR 640 CNRS

Imagerie C�r�braleFonctionnelle :

Techniques et applications

Line GarneroLaboratoire de Neurosciences Cognitives & Imagerie C�r�brale

CNRS UPR640

Centre de Magn�toenc�phalographie


¥ Imagerie C�r�brale Fonctionnelle

¥ Principes physiologiques

¥Les diff�rentes techniques - principes physiques - analyse des donn�es

¥Applications - Neurologie - Sciences Cognitives

Sommaire


Imagerie C�r�brale Fonctionnelle

¥ Etude du cerveau en action

¥R�pondre aux questions O� et Quand ?

¥Domaine de Recherche entre Sciences de la Vie etPhysique, Informatique

¥Applications : recherche en Sciences Cognitives¥ : recherche clinique (neurologie)


Les diff�rentes m�thodes

M�thodes invasives

- �tude de l�sions avec neuropsychologie - imagerie optique (chez lÕanimal) - �lectrodes intrac�r�brales (animal et patients)

M�thodes non invasives

- imagerie m�tabolique et h�modynamique (TEP et IRMf) - imagerie �lectrique et magn�tique (MEG et EEG)


Propri�t�s de diverses techniquesdÕinvestigation c�r�brale

Propri�t�s de diverses techniquesdÕinvestigation c�r�brale

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

milliseconde seconde minute heure jour

non-invasif invasif

cerveau

aire

colonne

couche

neurone

dendrite

synapse

Log Temps (sec)

LogR�solution(mm)

MEG+PE

IRM

TEP l�sions

imagerieoptique

microscopie

potentiels de champs locauxmicrol�sions

2-d�oxyglucose


Historique

1850 : Etude des l�sions (Aire de Broca)

1929 : Premier EEG (Hans Berger)

1968 : Premi�res mesures en MEG

1972 : Tomographie par Emission de Positons TEP

1980 Ð 89 : Essor de la TEP

1990 : Apparition de lÕIRM fonctionnelle

1990- : Commercialisation de syst�mes MEG


Bases physiologiques de lÕ I. C. F.

M�tabolismeSynth�se dÕATPconsommation de

Glucose et O2

EEG - MEG

PPSE - PPSIIntracellulaire ou

extracellulaire

H�modynamiqueD�oxyg�nationAugmentation

Du D�bit Sanguin

TEP

TEP

IRMf

NeuronalPotentiel dÕaction

DÕapr�s B. Mazoyer


Tomographie par �mission de positons

¥ Injection dÕun traceur radioactif

¥ Mesure du rayonnement �mis parce traceur sur des capteurs externes

DÕapr�s B. Bendriem


TEP : les diff�rents traceurs

¥ 15O Ðeau perfusion Ð d�bit sanguin

¥ 18F Ðdeoxyglucose m�tabolisme du glucose

¥ 11C Ðraclopride r�cepteurs dopaminergiques

¥ 18F Ðdopa synth�se de la dopamine

¥ 11C Ðflumazenil r�cepteurs benzodiaz�pines


TEP : imagerie dÕactivation

nn Inconv�nients : Rayonnement radioactif Multiples injections Faible signal Moyennage sur plusieurs sujets


IRM fonctionnelle : principes de lÕIRM

IRM : Imagerie par RIRM : Imagerie par R��sonance Magnsonance Magn��tiquetique - bas�e sur la r�sonance des spins des protons en pr�sence de B

M : moment magn�tique DÕapr�s D. Dormont


principes de lÕIRM


principes de lÕIRM

Mz : magn�tisation longitudinale

Mxy : magn�tisation transversale


principes de lÕIRM

Comment est faite la sComment est faite la s��lection spatiale ?lection spatiale ?

ω d�pend de B

Application de gradients dans plusieurs directions (s�quences) :

- Les protons vont pr�cesser � diff�rentes fr�quences

- Les signaux associ�s pourront �tre s�par�s par Transform�e de Fourier


IRM fonctionnelle : principe

Capillaires

χi

χi

χe

Be Be Be

Bi Bi

effet BOLDeffet BOLDnn Oxyh�moglobine : diamagn�tique.nn D�soxyh�moglobine : paramagn�tique.

DÕapr�s O. David


nn Effet BOLD = variation locale de susceptibilit� magn�tiquepar variation de concentration en d�soxyh�moglobine (agent decontraste intrins�que) variation du T2* variation delÕamplitude du signal RMN.

nn S�quence dÕimagerie ultra-rapide sensible au T2* s�quence EPI (Echo Planar Imaging).

nn Technique non invasive de mesure indirecte de lÕactivationc�r�brale.

nn Tr�s bonne r�solution spatiale (3 � 4 mm).

nn R�solution temporelle : environ 1 s.

IRM fonctionnelle : principe

effet BOLDeffet BOLD


IRM fonctionnelle : protocoles

40 s 40 s

nn Exploitation des variations locales dÕinhomog�n�it�s de champmagn�tique entre une phase de Òcontr�leÓ (OFF) et une phase deÒt�cheÓ (ON).

nn Paradigme de type ON/OFF en cr�neaux.

ON

OFF

ON ON

OFF OFF

Paradigme en blocParadigme en bloc



Paradigme en blocParadigme en bloc

nn Quantification de lÕactivation dÕunvoxel par identification du signalRMN au paradigme (intercorr�lation,r�gression lin�aire, etc.).

nn Avantage : Facilit� de mise en oeuvre.nn Inconv�nient : Processus transitoires peu ou pas explor�s.

�tude en ÇÊr�gime permanentÊÈ.

40 s 40 s

ON

OFF

ON ON

OFF OFF



IRMf IRMf ��vv��nementiellenementielle

nn 1995 : IRMf �v�nementielle (Savoy et coll., ISMRM).

nn Exploitation des variations locales dÕinhomog�n�it�s dechamp magn�tique entre une phase de Òcontr�leÓ (OFF) et unephase de Òt�cheÓ (ON).

nn Paradigme de type ON/OFF impulsionnel.

1 s 15 s

OFF


La rLa r��ponse hponse h��modynamiquemodynamique

nn LÕactivation neuronale est un ph�nom�ne �lectrique rapide.nn La r�ponse h�modynamique obtenue par effet BOLD met en jeudes processus physiologiques encore m�connus qui interviennent auniveau des capillaires sanguins ph�nom�ne lent (15 s).

IRM fonctionnelle : protocole �v�nementiel

obtenue apr�smoyennage deplusieurs �v�nements


�tude en ÇÊr�gime transitoireÊÈ.

nn Quantification de lÕactivation dÕun voxelpar identification du signal RMN � unefonction mod�le (fonction gamma, dePoisson ou gaussienne).

IRM fonctionnelle : protocole �v�nementiel

1 s 15 s

ONOFF

nn Avantages :uProcessus transitoires accessibles.uu Etude de la dynamique de lÕactivation c�r�brale.

nn Inconv�nients :uu Rendement faible.


Direction du regard

OrientationDe la t�te

direct d�tourn�

droite

oblique

IRM fonctionnelle : exemple

⇒ 4 conditions experimentales :

DÕapr�s N. George


Toutes conditions versus repos

IRM fonctionnelle : r�sultats

R�ponses du gyrus fusiforme au regard direct vs d�tourn�


Electroencéphalographie (EEG) et Magnétoencéphalographie (MEG)

EEG : mesure du Potentiel �lectrique.Ordre de grandeur : quelques microvolts

Capteurs : �lectrodesAppareillage tr�s r�pandu

Mesurent lÊÕactivit� �lectrique neuronaleImagerie non invasiveR�solution temporelle ~1ms

MEG : mesure du champ magn�tique.Ordre de grandeur : 10-13 tesla

Capteurs : SQUID coupl�s � des bobinesAppareillage tr�s co�teux


Dip�le de courantMacrocolonne corticale 105 � 106 neuronesQ =I x d ~10 � 100 nAm

I

Courants macroscopiques

Dip�le radial (gyrus)

Dip�le tangentiel (sillon)

Dip�les sur la surface corticale


INSTRUMENTATION EEG

1er EEG : Hans Berger 1929 - sur patient tr�pan�

Syst�me 10- 20

Syst�me 64 � 128 �lectrodescasque dÊÕ�lectrodes


INSTRUMENTATION MEG

Ordre de grandeur des champs magn�tiques c�r�braux


INSTRUMENTATION MEG

1er MEG : Cohen -MIT 1968 - avec de nombreux bobinages

1972 : apparition des squidsCapteur magn�tique Supraconducteur 4¡K(refroidi � lÊÕh�lium liquide)

1990 : Syst�me casque int�gral, ~150 capteurs Enregistrement MEG + EEG simultan�

1980 : Syst�mes 7 � 37 capteurs couverture partielle de la t�te


INSTRUMENTATION MEG

Principe de la mesure en MEG

D�tection :

bobines r�ceptrices de flux+

transformateurs de flux : squids

SQUIDS : dispositif supra Basse T (refroidi � lÊÕh�lium liquide)


INSTRUMENTATION MEG - Correction

Chambre blind�e : parois de mu-m�tal

Gradient dÊÕordre sup�rieur avec capteurs de r�f�rence


INSTRUMENTATION MEG - Le Syst�me


LES REPONSES DE LA MEG ET DE LÊÕEEG

Donn�es spatiotemporelles

MEG EEG


REPONSE SIMULTANEE MEG ET EEG

MEG EEG

R�ponse auditive 100 millisecondes apr�s lÊÕarriv�e du son


LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES

MEG EEG

Potentiel < 0

Potentiel > 0

Champ>0Champ< 0


DIFFERENCES ENTRE MEG ET EEG : RECAPITULATIF

MEG EEG

¥ Mesure le champ magn�tique¥R�ponse dipolaire perpendiculaire� la direction du dip�le¥R�ponse focale¥Peu affect� par tissus c�r�braux¥S�lectif pour sources tangentielles¥Peu sensible aux sourcesprofondes¥Appareillage co�teux

¥ Mesure le potentiel �lectrique¥R�ponse dipolaire parall�le � ladirection du dip�le¥R�ponse diffuse¥Tr�s affect� par les tissus¥sensible � toutes orientations¥sensible aux sources profondes

¥Appareillage moins cher


ANALYSE DES SIGNAUX : Activit� spontan�e

Les diff�rents rythmes (boucles thalamo-corticales) - alpha : 8 - 13 Hz (occipital)- mu : 7 - 11 Hz (mouvement)- beta : 18 - 30 Hz (moteur)- gamma : 30 - 50 Hz - delta : 0.5 - 4 Hz (sommeil)

Les signaux �pileptiques - pointes intercritiques - EEG ictal (crise)


ANALYSE DES SIGNAUX : Potentiels �voqu�s

Moyennage synchronis� � 1 stimulus (Dawson 1937)

Les diff�rentes r�ponses (latence et amplitude)Nomenclature :- Nxxx : onde EEG n�gative pointant � xxx ms- Pxxx : onde EEG positive - Mxxx : onde MEG ÉÉ..pointant � xxx ms

N145P100


Influence du nombre dÊÕessais

1 essai 10 essais 50 essais


Influence du nombre dÊÕessais

100 essais 400 essais 1600 essais


IMAGERIE MEG-EEG : LOCALISATION

J?

Reconstruire dans le temps et lÊÕespace les sources neuronales� lÊÕorigine des signaux MEG et EEG mesur�s en surface

Probl�me inverse


LOCALISATION : Difficult�s

Probl�me direct :

L g�om�trie complexe du milieu de conduction :peau, os , LCR, cortex

L peu de donn�esL solution non uniqueL instabilit� des solutions au bruit

Probl�me inverse :


¥ Approches dipolairesÐ Trouver un ou plusieurs dip�le(s) Ò�quivalent(s)Ó dont les

param�tres sont � estimer � partir des donn�es

OU

¥ Imagerie de la densit� corticale de courantÐ Estimation des amplitudes de dip�les de courant distribu�s au

pr�alable sur la surface corticale (sources distribu�es)

PROBLEME INVERSE : les approches


SOMESTHESIE

Paradigme : Stimulations sensitives des doigts (400 par doigt) en MEG

Droit

Gauche

Index Petit Doigt

Latence � 40 ms


PROBLEME INVERSE : Mod�le dipolaire MEG


SOMESTHESIE : Somatotopie des doigts

pouceindex

majeurpetit doigt

Distance entre doigt ~ 0.9 cmDistance I - V ~ 1.5 cm


SOMESTHESIE : Application clinique

Contr�le

Patient

Dystonique


-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

right hand left hand

controlsscore 1 to 3

score 4 to 6score >10

DESORGANISATION versus score clinique

S. Meunier, L. GarneroB. RenaultM. Vidailhet, Annals of Neurology, 2001


¥ Limitations

- Connaissance a priori du nombre de dip�les

- Nombre limit� de r�gions actives

- Mod�les adapt�s aux composantes pr�coces

Ð Quantification de lÕextension spatiale probl�matique

PROBLEME INVERSE : Mod�le dipolaire


Imagerie de la densit� de courant corticale¥ Distribution de dip�les de courant � la

surface du cortex

Ð Proche du mod�le physiologique

¥ Il ne reste � estimer quelÕamplitude des sources

¥ G est fix�e par la contraintecorticale de la position dessources

¥ Les sources sont positionn�es aux sommets du maillage cortical

⇒ Tr�s nombreuses (≈ 10 000 mini.)

PROBLEME INVERSE : Mod�les distribu�s


SOMESTHESIE : Mod�le distribu�

Doigt 3

Doigt 5

Doigt 1

Doigt 2


Main gaucheMain gauche Contr�le

Patient

SOMESTHESIE : quantification des aires


[DÕapr�s A.C. Croize]

SIMULTANEOUS DOT PRESENTATION( NO MEMORIZATION )

ÒSIMULTANEOUS COMPARISONÓ CONDITION

)(

SUCCESSIVE DOT PRESENTATION( 3 SEC MEMORIZATION )

ÒMEMORIZATIONÓ CONDITION

ÒDELAYED COMPARISONÓ CONDITION

( )

Exp�rience sur la m�moire � court terme


R�sultats EEG

N1 P3b

+8 µV

+4

0

-4

-8msec

msec

msec

µV

µV

µV

ÒSIMULTANEOUS COMPARISONÓ

ÒMEMORIZATIONÓ

ÒDELAYED COMPARISONÓ


R�sultats MEG

ÒMEMORIZATIONÓÊ

ÒDELAYED COMPARISONÓ

ÒSIMULTANEOUS COMPARISONÓ

.

+300 fT

-300 fT

0

M1 M2 M3 M4


MEG SENSORRIGHT FRONTAL (F45)

ELECTRODECENTRO-PARIETAL (CPZ)

Slow components P3b

msec

µVM4

msec

fT

DELAYED COMPARISON Ê Ê

ÊMEMORISATION

SIMULTANEOUS COMPARISON

Comparaison MEG/EEG


Comparaison MEG/IRMf

280-350 ms

MEG

150-220 ms

fMRI

220-280 ms 350-550 ms

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