Étude du développement cérébral par IRM conventionnelle, IRM de diffusion et IRM fonctionnelle Jessica Dubois Unité de Neuro-imagerie Anatomique et Fonctionnelle

Étude du développement cérébral par IRM conventionnelle,

IRM de diffusion et IRM fonctionnelle

Jessica Dubois

Unité de Neuro-imagerie Anatomique et Fonctionnelle

Service Hospitalier Frédéric Joliot, CEA, Orsay

JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM

La RMN pour l’exploration du cerveau

3 niveaux possibles :• Biochimie (Spectroscopie par RMN)• Morphologie (IRM conventionnelle, IRM de diffusion)• Cognition (IRM fonctionnelle)

Plan

• Principes des différentes modalités d’IRM• Applications pour l’étude du développement cérébral



L’Imagerie par Résonance Magnétique

• Atome d’hydrogène• Corps : eau• Résolution spatiale ~ mm• Résolution temporelle ~ s ou min

L’imageur RMN

• Aimant : B0 (1.5T)

• Antenne radiofréquence : B1 (~10-6T, 64MHz)

• Bobines de gradients : Gx, Gy, Gz (~10-3T.m-1)



Codage spatial du signal : sélection d’une coupe

• Rappel : la fréquence de résonance dépend du champ magnétique statique

• Gradient de champ magnétique

la fréquence de résonance varie dans l’espace

fréq

uenc

e

position

zGzBB z

)( 0

• Onde radiofréquence de fréquence donnée excitation et résonance des spins d’une coupe

• Enregistrement du signal des spins de la coupe



Mécanismes de contraste en IRM

• Densité de protons

*2/Tte

)cos( 0tM t

• Retour à l’état d’équilibre (relaxation) après excitation par l’onde radio-fréquence B1

- Décroissance de l’aimantation transversale : T2, T2*

- Repousse de l’aimantation longitudinale : T1



L’IRM conventionnelle

• Types d’images

• Anatomie :

matière grise (noyaux gris centraux, cortex : sillons / gyri), matière blanche, ventricules (liquide céphalo-rachidien) …

Densité de protons T1 T2*T2



Exemples d’applications

Image 2D

Rendu d’une section oblique

Détection automatique des sillons

Rendu surfacique du cortex



L’IRM de diffusion

• Mouvements aléatoires des molécules d’eau

• Diffusion dans le tissu cérébral• Signal RMN de diffusionD : coefficient de diffusion, b : pondération de diffusion

mxmsT 17:50212

DbeSS 0

• Sensibilité à l’orientation des fibres myélinisées de la matière blanche



L’imagerie du tenseur de diffusion (DTI)

Dxx Dxy Dxz

DyzDyy

Dzz

T2

z

y

x



Cartes DTIDiffusion moyenne Anisotropie

Orientations codées en couleurs



Suivi de faisceaux de fibres (tracking)

• Principe : utiliser l’information d’orientation dans chaque pixel et se propager de proche en proche pour construire une « fibre » d’un faisceau de matière blanche



Tracking de fibres



L’IRM fonctionnelle

• Localisation des activations cérébralesEx : stimulation visuelle

Hémichamp gauche Hémichamp droitChamp de vue entier



Activations cérébrales

Phénomènes physiologiques accompagnant l’activité neuronale :

• Changements métaboliques– Consommation de glucose

– Consommation en oxygène

• Changements hémodynamiques– Volume sanguin

– Débit sanguin

Augmentation de la saturation en oxygène du sang



L’effet BOLD et le signal RMN

• Hémoglobine : atome de fer • Comportement magnétique :

porteuse d’oxygène : diamagnétique

non porteuse d’oxygène : paramagnétique

• Déoxyhémoglobine : - modifications des lignes de champ magnétique - effet sur le T2*- effet sur le signal RMN

Effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant)



L’effet BOLD et les activations cérébrales

Lors d’une activation cérébrale : • Augmentation de la saturation en oxygène du sang• Diminution de la concentration en déoxyhémoglobine• Augmentation du T2*

Signal

t

Augmentation du signal RMN



Étude en IRM conventionnelle

I : 1mois II : 2mois III : 3-6mois IV : 7-9mois V : >9mois

Paus et al, Brain Res Bull 2001

• Évolution des temps de relaxation avec l’âge Myélinisation de la matière blanche vue en T1



Étude de la formation des sillons et gyri

Collaboration SHFJ / Hôpital Necker, Paris / HSR, Milan Scifo et al, HBM 2003

• Imagerie pré-natale : « plissements » du cortex

• Application potentielle : détection précoce de pathologies du développement cortical



Étude en IRM de diffusion

Neil et al., NMR Biomed. 2002

T1diffusion moyenne

anisotropie

26sem

40sem

7ans

• Sensibilité à l’orientationdes faisceaux de fibres avant la fin de la myélinisation

• Sensibilité à l’anisotropie initiale du cortex

• Sensibilité au processus de myélinisation des fibres de matière blanche



Organisation des faisceaux chez le bébé

Collaboration en cours SHFJ / Hôpital Necker, Paris

Vue sagittale

Vue axiale

Vue coronale

• Quel est l’état d’« organisation » des réseaux de matière blanche chez le bébé de 3 mois ?



Étude en IRM fonctionnelle

Assymétrie en faveur de l’hémisphère gauche

Paroles à l’endroit vs paroles à l’envers

Bébés éveillés vs bébés endormis

Activations aux sonsDehaene-Lambertz et al, Science 2002

Langage

• Quel est l’état de « fonctionnement » du cerveau (matière grise) chez le bébé de 3 mois ?



Études en cours

• Vision : le nouveau-né « voit-il » ?

Chez l’adulte : région spécifique à la vision des visages, assymétrie en faveur de l’hémisphère droit

Chez le bébé de 3 mois ?

• Langage : mémorisation d’une phrase écoutée par le bébé de 3 mois ?



Conclusion

• L’IRM appliquée à l’étude du développement : anatomie / fonctions, quels liens ?

• La RMN : 1946• L’IRM : 1973• L’IRM fonctionnelle : 1992• L’IRM de diffusion appliquée

au tracking : 1999

Documents

Étude du développement cérébral par IRM conventionnelle, IRM de diffusion et IRM fonctionnelle Jessica Dubois Unité de Neuro-imagerie Anatomique et Fonctionnelle