Cours 2 - Méthodes de neuroimagerie Flashcards
Pour l’étude du fonctionnement cérébral, quelles sont les deux grandes catégories de techniques?
Techniques de mesure (durant un comportement qu’est-ce qui se passe au cerveau)
Techniques de manipulation (après une manipulation de quelle façon le comportement est affecté)
Quelles sont des techniques de mesure du fonctionnement cérébral?
EEG
MEG
PET
fMRI
Quelles sont des techniques de manipulation du fonctionnement cérébral?
Lésions
TMS (stimulation magnétique transcrânienne)
Stimulation
Quelle est une autre technique qui peut informer sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cerveau?
Neuromodulation
Quels sont les trois grandes caractéristiques entre lesquelles un compromis doit être fait pour avoir une bonne technique d’imagerie?
Résolution spatiale
Résolution temporelle
Étendue couverte
Dans la dernière décennie, quelle technique de neuroimagerie a eu prédominance?
IRMf et étude de la connectivité
Comment fonctionne l’EEG?
Enregistrement direct de l’activité électrique du cerveau à la surface du cuir chevelu
EEG: Quel type d’activité électrique peut-être enregistré?
Oscillations cérébrales
Potentiels évoqués cognitifs
Localisation de source
Quelles sont les avantages de l’EEG?
Excellente résolution temporelle (ms)
Non-invasif
Mobile
Peu coûteux achat/utilisation
Quelles sont les inconvénients de l’EEG?
Pauvre résolution spatiale
Mesure mal l’activité sous-corticale
Signal fort bruité
Temps d’installation long
Résumé de l’histoire de l’EEG? (3 milestones)
- Caton -> courants électriques dans le cerveau chez l’animal
- Berger -> activité électrique peut être observée sur le scalp & varie en fonction de l’état cognitif
- Adrian & Matthews -> concept de rythmes (oscillations cérébrales endogènes) dans différentes bandes de fréquence
Quel est l’origine du signal EEG?
Courants mesurables à la surface du scalp résultent de la synchronie dans le temps et l’espace d’assemblées de neurones
Comment fonctionne la captation du signal par les électrodes EEG?
Détection des différences de potentiel entre des électrodes posées sur le scalp
D’où proviennent les courants mesurables à la surface du scalp?
- Courants primaires (sources/intracellulaires) et
secondaires (volumiques/extracellulaires). - Dipôles de courant radial (perpendiculaire/gyrus) et
tangentiel (sillon)
Définir ondes cérébrales (EEG)
Oscillations endogènes des voltages enregistrés à la surface du scalp
À quoi sont associées les différentes bandes de fréquences EEG?
Distributions spatiales et états de conscience différents
Les bandes de fréquences sont-elles indépendantes les unes des autres?
Non: couplage de phase ou d’amplitude
Est-ce que l’EEG est une mesure quantitative ou qualitative?
Quantitative: analyse spectrale, cohérence, etc.
EEG: Définir potentiels évoqués sensoriels et cognitifs
Détection de la réponse moyenne à une stimulation externe répétée, décrit par différents paramètres (polarité et latence)
Comment fonctionne l’EEG au-delà de la surface du cuir chevelu?
EEG intracrânien via:
- grille d’électrodes placée à même la surface cérébrale
- le placement d’électrodes profondes
Par quel type de spécialistes l’EEG a-t-il été développé?
Neurophysiologistes
Par quel type de spécialistes le MEG a été développé?
Physicien intéressé à la localisation des source
Quelles sont les différences entre l’EEG et le MEG?
MEG:
- Détecte l’induction MAGNÉTIQUE liées à l’activité électrique
Quel est l’avantage du MEG par rapport à l’EEG?
Pas de distorsion du signal par crâne, cuir chevelu, air, etc.
Quel est le désavantage du MEG par rapport à l’EEG?
Cher + peu accessible
EEG + MEG: Définir localisation de sources
Cartographie de la source des signaux détectés en surface
EEG + MEG: Quel est l’avantage de la localisation de sources?
Faible résolution spatiale au niveau des senseurs mais la reconstruction de sources permet une résolution de ~1cm pour EEG et ~1mm pour MEG
EEG + MEG: Pourquoi la reconstruction des sources est un objectif complexe?
- Problème direct: des sources au potentiel électrique détecté sur le scalp, des solutions numériques sont possibles
- Problème inverse: du potentiel électrique détecté sur le scalp aux sources, le problème est mal conditionné et il est nécessaire d’ajouter des hypothèses
Quel est le principe de base du PET?
L’imagerie PET dépend de l’injection d’un isotope radioactif généré par un cyclotron
PET: Quels sont les avantages?
- Bonne résolution spatiale (4 mm)
- Permet d’étudier processus physiologiques (métabolisme, perfusion)
- Permet d’étudier les systèmes de neurotransmetteurs
PET: Quels sont les désavantages?
- Très invasifs
- Pauvre résolution temporelle (> 1 min)
- Coûteux
Comment fonctionne (en détails) le PET?
- Un traceur caractéristique d’une fonction physiologique (par
exemple oxygène ou glucose) est marqué par un isotope radioactif (courte demi-vie) - Après injection, les radio-isotopes se désintègrent et émettent des positons qui entrent en collision avec des électrons
- Ces collisions produisent des rayons gamma opposés qui
sont captés par les détecteurs de coïncidence de la PET
Comment PET peut-être utilisé pour étudier la cognition et la maladie mentale?
Mesure indirecte reliée au débit sanguin (H215O) et au métabolisme du glucose (18F-2-deoxyglucose = 18FDG).
Comment PET peut-être utilisé pour étudier les systèmes de neurotransmetteurs?
Marquage de:
Dopamine (11C-Raclopride), GABA (11C-Flumazenil),
sérotonine (18F-setoperone)
PET: Définir cartographie statistique paramétrique
Comparaison d’images (entre runs) au niveau des XYZ voxels (correction pour comparaison multiples) dans un espace stéréotaxique commun
Quelle est la différence entre IRM et IRMf?
IRMf = Signal BOLD (blood oxygen level dependent)
IRMf: Avantages?
- « Très » bonne résolution spatiale (~1mm)
- Résolution temporelle (~1s)
- Non invasif
- Multimodal
- Largement disponible
IRMf: Inconvénients?
- Mesure indirecte
- Résolution temporelle (délai de plusieurs secondes entre signaux neuronal et hémodynamique)
- Coûteux
Sur quoi ce base l’image produite par l’IRM?
L’IRM produit une image sur bases des propriétés magnétiques (protons d’hydrogène) des différents tissus biologiques
IRM: comment est-ce que le champ magnétique affecte les protons d’hydrogène?
Affecte l’orientation des protons d’hydrogène:
- Excite artificiellement (radio-fréquence) les protons d’hydrogène (état de résonance)
IRM: qu’est-ce qui est mesuré?
Mesure des propriétés de relaxation des protons d’hydrogène au cours du temps
IRM: qu’est-ce que les mesures décrivent?
Les mesures indépendantes de relaxation T1 (anatomique) et T2 (fonctionnelle) décrivent pour chaque voxel les comportements des propriétés magnétiques (spins) après radio-fréquence
IRM: Définir volumétrie manuelle
- Expertise en anatomie pour segmenter manuellement des régions d’intérêt
- Petits jeux de données
- Remplacé de plus en plus par des algorithmes de segmentation automatique
IRM: Définir IRM anatomique/structurelle (T1)
- Volumétrie manuelle
- Morphométrie basée sur les voxels (VBM) (3D)
- Algorithmes basés sur la surface (épaisseur corticale
et aire de surface)
IRM: Définir morphométrie basée sur les voxels (VBM)
Quantification de la densité locale de matière grise au niveau
de l’ensemble des voxels
IRM: Comment fonctionne la mesure de l’épaisseur corticale et de l’aire de surface?
- Les surfaces intérieur et l’extérieur du cortex sont extraites.
L’épaisseur corticale résulte de la distance entre les 2. - L’aire est calculée sur l’une ou l’autre surface
IRM: Définir imagerie de diffusion (ID)
Séquences d’acquisition spécifiques qui permettent la tractographie des fibres de matière blanche
Est-ce que l’IRM de diffusion informe sur la direction de la connectivité structurelle?
Non
À quoi est sensible l’ID?
Technique sensible aux mouvements thermaux aléatoires (browniens) des molécules d’eau, contraints par la microstructure des tissus
ID: Dans quel sens la diffusion est-elle plus marquée?
ANISOTROPIQUE
Dans la matière blanche, la diffusion est anisotropique (elle est plus marquée parallèlement que perpendiculairement aux axones)
ID: Définir imagerie de tenseurs de diffusions (DTI)
Modélisation gaussienne du patron de diffusion par une forme
ellipsoïdale représentée par un tenseur
ID: Quelle est une lacune de la DTI?
Capture mal le croisement des fibres
Sur quoi est basé IRMf (T2)?
IRM fonctionnelle basée sur le signal BOLD (blood-oxygen-level-dependent): contraste basé sur l’oxygénation du sang
IRMf: Quelle est la différence entre un signal T2+ et T2-?
Sur une image T2, l’hémoglobine (protéine qui apporte l’oxygène aux cellules) montre un signal différent selon qu’elle est porteuse ou non d’oxygène: oxyhémoglobine (signal T2 +) ou déoxyhémoglobine (signal T2 -)
IRMf: Comment le signal BOLD renseigne-t-il sur l’activité neuronale?
Des neurones actifs augmentent leur demande métabolique en oxygène, ce qui engendre une réponse accrue de la microvasculature à plus (trop) d’oxyhémoglobine menant à un signal T2 plus élevé = signal BOLD
IRMf: Mesure l’activité en combien de dimensions?
Mesure (4D) indirecte de l’activité neuronale: volumes
3D avec Nx105 XYZ voxels et T points temporels (fréquence d’échantillonnage ~1s)
Expliquer le principe de la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (SPIRf - fNIRS)
Les tissus humains sont transparents à cette lumière (proche infrarouge) et les spectres d’absorption/diffusion sont différents pour l’oxyhémoglobine et la désoxyhémoglobine
Définir SPIRf
Mesure de l’oxygénaRon locale du cerveau informée par la lumière dans la gamme du proche infrarouge (700-900nm)
SPIRf: Quels sont les avantages?
Par rapport à l’IRMf:
- Bonne résolution temporelle (1s + délai)
- Moins bruité
- Moins de contrainte
- Meilleure portabilité
- Coût moindre
SPIRf: Quels sont les inconvénients?
- Mesure locale corticale (pas cerveau entier)
- Légèrement moindre résolution spatiale qu’IRMf (calcul du chemin optique imparfait)
