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
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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)
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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
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Étude du développement cérébral par IRM
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
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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
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Étude du développement cérébral par IRM
Exemples d’applications
Image 2D
Rendu d’une section oblique
Détection automatique des sillons
Rendu surfacique du cortex
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Étude du développement cérébral par IRM
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
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Étude du développement cérébral par IRM
L’imagerie du tenseur de diffusion (DTI)
Dxx Dxy Dxz
DyzDyy
Dzz
T2
z
y
x
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Étude du développement cérébral par IRM
Cartes DTIDiffusion moyenne Anisotropie
Orientations codées en couleurs
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Étude du développement cérébral par IRM
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
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Étude du développement cérébral par IRM
Tracking de fibres
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Étude du développement cérébral par IRM
L’IRM fonctionnelle
• Localisation des activations cérébralesEx : stimulation visuelle
Hémichamp gauche Hémichamp droitChamp de vue entier
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Étude du développement cérébral par IRM
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
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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)
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Étude du développement cérébral par IRM
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
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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 ?
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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 ?
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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 ?
JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois
Étude du développement cérébral par IRM
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