Imagerie fonctionnelle du cerveau - Cours 2

Question 1

Quelles sont les principales modalités d’imagerie fonctionnelle non-invasives chez l’homme?

Answer 1

IRMf
Imagerie optique
TEP
EEG
MEG

Question 2

Qu’est-ce que l’imagerie structurelle? Donnez des exemples

Answer 2

Anatomie du cerveau
Exemples : Angiographie structurale, tomodensitométrie (CT), IRM

Question 3

Qu’est-ce que l’imagerie fonctionnelle? Donnez des exemples

Answer 3

Fonction du cerveau
Exemples : IRMf, imagerie optique, TEP, EEG, MEG

Question 4

Qu’est-ce que la résolution temporelle?

Answer 4

Capacité à distinguer les changements d’activité au fil du temps
Grande résolution temporelle = meilleure discrimination des évènements rapides

Question 5

Qu’est-ce que la résolution spatiale?

Answer 5

Capacité à discerner des composantes individuelles dans une image
Grande résolution spatiale = meilleure discrimination des structures

Question 6

Quelle technique à la meilleure résolution temporelle et spatiale?

Answer 6

Patch-clamp recoding

Question 7

Quelle technique à la pire résolution spatiale et temporelle?

Answer 7

Lesion (humain)

Question 8

Quelle technique à la meilleure résolution temporelle, mais pire résolution spatiale?

Answer 8

Imagerie optique

Question 9

Quelle technique à la meilleure résolution spatiale, mais pire résolution temporelle?

Answer 9

IRM structurelle

Question 10

Quelle est la bref histoire de l’IRM?

Answer 10

1ère image IRM publiée en 1973 par Dr. Paul Lauterbur (tube d’eau)
Travaux similaires faits en parallèle par Sir Peter Mansfield

1ère image d’un sujet humain a été complétée en 1977 (et a pris presque 5 heures à acquérir!)

1ère image IRM du cerveau publiée en 1980

Dr. Paul Lauterbur et Sir Peter Mansfield ont reçu le prix Nobel pour leurs découvertes concernant l’IRM (dans la controverse)

Question 11

Expliquez le principe de base T1 et T2

Answer 11

Les protons vont revenir à leur état de base à une vitesse différente selon :
1- L’axe B0 (longitudinal)
2- L’axe B1 (transversal)
3- Le tissu

Ceci génèrera un contraste de type T1 et T2
Chacune des composantes du tissus 9protéines, lipides, glucides, eau) ont des T1 et T2 différentes

Question 11

Quels sont les principes de base de l’IRM?

Answer 11

-Aimant : Champ magnétique (B0) très puissant (de 1 à 7 T) et homogène qui va inciter les protons d’hydrogène à s’aligner
-Bobine de radiofréquence (RF) : Envoie une impulsion (B1) à la fréquence de résonance de l’hydrogène. Suite à leur entrée en état de résonance, ces protons reviennent à leur état de base à des vitesses différentes suivant le tissu dans lequel ils se trouvent. Ceci génère un contraste (Ex. T1)
-Bobine de gradients : Le signal généré par la RF ne nous donne pas d’information spatiale, ce sont les bobines de gradients qui nous permettent de le faire

Question 12

Expliquez le principe de champ B0

Answer 12

Les protons s’alignent dans le champ magnétique

-Lorsqu’un proton tourne autour de son axe, la charge positive de rotation induit un mouvement magnétique (petit aimant)
-Sans champ magnétique externe, les protons s’orient dans des directions aléatoires
-Un champ magnétique très puissant (1 à 7 T), appelé B0, va aligner les protons (parallèle/antiparallèle)
-Dans une machine IRM : Parallèle = tête ; Antiparallèle = pieds
-un peu plus de protons sont en orientation parallèle, ce qui exerce une force supplémentaire vers la tête

Question 13

Expliquez le principe d’onde RF

Answer 13

Une impulsion RF modifie le champ magnétique net

-Avant que l’impulsion RF ne soit appliquée, il existe une force magnétique nette dans le sens longitudinal vers la tête du sujet
-Une fois l’impulsion RF appliquée, le champ longitudinal net diminue, à mesure que certains protons se réorientent vers l’orientation antiparallèle. Un nouveau champ magnétique net est créé dans la direction transversale
-Après l’arrêt de l’impulsion RF, le champ longitudinal augmente et le champ transversal diminue jusqu’à ce que le champ magnétique revienne au même état qu’avant l’application de l’impulsion RF

Question 14

Qu’est-ce que T1 ?

Answer 14

Temps de relaxation longitudinal
Il mesure le temps nécessaire aux protons pour revenir à leur état d’équilibre après avoir été excités par une impulsion de radiofréquence (temps nécessaire aux protons pour revenir au temps 0)

LCR = noir
Matière grise = gris
Matière blanche = blanc

Le contraste T1 est surtout utilisé pour caractériser la structure du cerveau avec une bonne résolution spatiale (environ 1mm3)

Question 15

Qu’est-ce que T2?

Answer 15

Temps de relaxation transversal
Il mesure le temps nécessaire aux protons pour perdre leur cohérence de phase après l’excitation (c’est le temps qu’il faut pour que les protons “se désynchronisent” les uns par rapport aux autres)

LCR = blanc
Matière grise = gris
Matière blanche = noir

Le contraste T2 est utilisé notamment pour l’imagerie fonctionnelle, à plus basse résolution (environ 27mm3)

Question 16

Expliquez brièvement le principe de base du gradient spatial

Answer 16

En faisant varier l’amplitude du champ magnétique dans l’espace, à l’aide de bobines de gradient, il est possible de mesurer précisément les propriétés magnétiques d’un petit élément de volume, appelé voxel

Question 17

Sur quoi se basse l’IRM fonctionnelle?

Answer 17

Il existe une relation entre l’activité cérébrale et le taux d’hémoglobine désoxygénée dans le sang

Au début des années 90 = découverte importante : Une séquence d’impulsions produites par l’IRM pourrait mesurer le taux d’hémoglobine désoxygénée

Question 17

Comment une “coupe” est sélectionnée en IRM?

Answer 17

Le champ magnétique est appliqué selon un gradient. Une impulsion RF n’excitera que les protons dans une tranche particulière
L’impulsion ne peut exciter que des atomes ayant la même fréquence de précession
Pour mesurer l’intensité du signal pour chaque point de la coupe, deux gradients supplémentaires sont appliqués, un dans l’axe média-latéral et l’autre dans l’axe antéro-postérieure

Question 18

Comment se nomme la mesure indirecte de l’activité cérébrale utilisé dans l’IRMf?

Answer 18

Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) fMRI

Question 19

Qu’est-ce que le signal BOLD?

Answer 19

Un mélange de la concentration relative oxy/désoxy-hémoglobine, ainsi que du flux sanguin

Question 20

Expliquez le principe du couplage neurovasculaire

Answer 20

le réseau sanguin capillaire arrive au voisinage des populations de neurones avec une taille fine (environ 10 microns) permettant de réguler l’oxygénation sanguine de manière locale et fine

Le métabolisme accompagnant l’activité neurale et la production de neurotransmetteurs dans la fente synaptique =
1- Augmentation de la consommation en oxygène
2- Augmentation du volume des capillaires et du flux sanguin

Question 21

Donnez un exemple d’une approche expérimentale standard en IRMf

Answer 21

Manipuler la tâche que réalise le participant dans le scanner, en alternant différentes conditions (exemple ; yeux ouverts, yeux fermés)

Question 22

Comment sont présentées les données d’IRMf?

Answer 22

Couplage entre le signal BOLD et l’activité neuronale

L’IRMf est une modalité 4D (volume (3D) + temps)

Pour chaque voxel, on a une série de mesures (quelques dizaines à quelques centaines) séparées dans temps de quelques centaines de ms à quelques secondes (plus typique)

Question 23

Que permet la comparaison entre le niveau d’activité BOLD durant une tâche d’intérêt et une condition contrôle en IRMf?

Answer 23

On peut quantifier quelles régions du cerveau sont spécifiquement plus activées durant la tâche
On peut ainsi :
-Étudier l’organisation de systèmes d’intérêt (visuel, moteur, auditif, mémoire de travail, …)
-Comparer des groupes (par exemple non-voyants vs voyants)
-Associer le niveau d’activation à un trait d’intérêt comme le QI
-Et plus encore!

Question 24

Que nécessite la réalisation d’une expérience IRMf?

Answer 24

De bien réfléchir aux conditions d’intérêt et de contrôle pour isoler des processus cognitifs pertinents, mais aussi de réfléchir aux hypothèses sous-jacentes concernant la réponse neurale associée à chaque condition ainsi que le couplage neuro-vasculaire

Psychological hypotheses, puis Neuronal hypotheses, puis Hemodynamic hypotheses

Question 25

Quelles sont les étapes des analyses classiques en IRMf?

Answer 25

Pré-traitement :
1- Correction du mouvement : Mouvement d’un sujet pendant la session. Si une structure est à un endroit X au début et Y à la fin, les analyses ne seront pas valides
2- Smoothing ou lissage
3- Normalisation : Chaque cerveau est différent, ils doivent se ressembler pour pouvoir les comparer

4- Application d’un modèle linéraire
5- Création de cartes statistiques

Question 26

Quels sont les avantages de l’IRMf?

Answer 26

• Non-invasif
• Excellente résolution spatiale (en mm) et bonne résolution temporelle (en sec) pour un cerveau complet
• Bonne souplesse des paradigmes expérimentaux

Question 27

Quels sont les inconvénients de l’IRMf?

Answer 27

• Dispendieux
• Inconfortable
• Origine du signal complexe et ambigüe
• Reflet indirect de l’activité neuronale au travers de ses conséquences vasculaires

Question 28

Qu’est-ce que l’imagerie optique ou functional Near InfraRed Spectrscopy (fNIRS)?

Answer 28

Technique non-invasive d’imagerie fonctionnelle qui mesure indirectement l’activité du cerveau au moyen de capteurs et d’émetteurs optiques placés sur le cuir chevelu

Question 29

Quels sont les principes de l’imagerie optique?

Answer 29

-La technique est basée sur l’émission d’un faisceau lumineux dans le cerveau à des fréquences porche de l’infrarouge
-L’absorption de ce faisceau nous donne de l’information sur l’oxygénation et la désoxygénation du sang similairement à l’IRMf
-La diffusion de ce signal nous donne de l’information spatiale

Question 30

Quels sont les avantages de l’imagerie optique?

Answer 30

-Possibilité de séparer les contributions de l’oxy- et désoxy-hémoglobine (mieux que l’IRMf)
-Moins dispendieux
-Excellente résolution temporelle (même si phénomène vasculaire)
-Excellente souplesse des paradigmes expérimentaux

Question 31

Quels sont les inconvénients de l’imagerie optique?

Answer 31

-Moins bonne résolution spatiale que l’IRMf (quelques mm)
-Ne couvre pas tout le cerveau
-Mesure indirecte de l’activité neuronale, au travers de son impact vasculaire

Question 32

Qu’est-ce que la tomographie par émissions de positrons (PET ou TEP)?

Answer 32

-La TEP repose sur l’injection intraveineuse d’une substance, appelée traceur
-Le traceur est marqué par un atome radioactif (F18 ou C11) qui émet des particules particulières, les positons
-Le traceur est choisi pour se fixer sur un organe ou un tissu

Question 33

Quels sont les avantages du TEP?

Answer 33

-Quantitatif
-Idée précise du phénomène physiologique mesuré
-Possibilité de développer un traceur dédié pour une cible spécifique
-Souplesse bonne à modérée des paradigmes expérimentaux, selon le traceur choisi

Question 33

Quel matériel est nécessaire pour le TEP?

Answer 33

Un cyclotron :
Accélérateur de particules qui propulse un faisceau de protons en continu suivant une trajectoire circulaire
Pour produire des radio-isotopes médicaux, on bombarde des isotopes stables avec ces protons

Question 34

Quels sont les principes du TEP?

Answer 34

-Les traceurs sont injectés dans la circulation sanguine. Le sang circule préférentiellement vers les zones à haut métabolismes (ex. zones actives du cerveau)
-Traceur qui se désintègre = émission de positrons qui entrent en collision avec des électrons, ce qui entraîne l’émission de rayons gamma de directions opposées. Ce sont les rayons gamma qui sont détectés par l’appareil
-Ces rayons gamma sont détectés par des capteurs et fournissent une indication de la concentration absolue de ce composé dans différentes régions du cerveau
-Différents traceurs = différentes informations

Question 35

Quels sont les inconvénients du TEP?

Answer 35

-Mauvaise résolution spatiale (cm) et temporelle (min)
-Très dispendieux
-Injection de traceurs radioactifs au participant
-Relativement difficile d’accès

Question 36

Qu’est-ce que l’électroencéphalographie (EEG)?

Answer 36

L’électroencéphalographie est une technique non-invasive qui mesure l’activité électrique générée par les cellules nerveuses par le biais d’électrodes placées sur le cuir chevelu
L’électroencéphalogramme est la transcription sous forme d’un tracé des variations dans le temps de l’activité électrique du cerveau
Le sujet porte un bonnet avec des électrodes qui sont cousues à des emplacements standardisés. On ajoute un gel conducteur pour combler l’écart entre le cuir chevelu et les électrodes, créant une connexion électrique continue

Question 37

Quels sont les principes de l’EEG?

Answer 37

-Mesure plus directe de l’activité électrique générée par le cerveau
-L’origine des signaux mesurés provient principalement des courants cellulaires provenant de l’activité excitatrice et inhibitrice au niveau synaptique
-L’activité électrique enregistrée par EEG provient en majorité des neurones pyramidaux des couches III, V et VI
-Le signal capté provenant de la synchronisation dans le temps et l’espace de l’activité de cellules nerveuses (environ 100 000 neurones)
-Activité de population
-Cellule pyramidale –>L’activité génère un potentiel électrique –> Le potentiel généré est conduit jusqu’au scalp

Question 38

Comment fait-on l’analyse de l’EEG?

Answer 38

Via les potentiels évoqués (Event-related Potential ou ERP)
-Répétition d’une tâche (30-50 fois)
-Moyennage de l’activité observée au travers des essais
-Élimination du bruit non-relié à la tâche

Question 39

Qu’à-t-on besoin pour détecter le champs magnétique dans la magnétoencéphalographie (MEG)?

Answer 39

Détecteurs SQUID
Superconducting Quantum Interference Device ou Dispositif d’interférence quantique supraconducteur

Question 40

Qu’est-ce que la magnétoencéphalographie (MEG)?

Answer 40

Répartition du champ magnétique au-dessus de la tête d’un sujet, montrant les changements d’intensité de champ évoqué par un stimulus auditif
L’IRM montre l’estimation de l’emplacement des neurones sources dérivés par analyse de source dipolaire

Question 41

Quelles sont les étapes d’analyse du MEG?

Answer 41

1- Modélisation des dipôles :
Quand il y a deux régions adjacentes d’activité magnétique avec polarité opposées, il y a probablement un dipôle électrique entre elles, indiquant une concentration d’activité neuronale

2- Localisation des sources :
Sources contraintes au cortex
Les algorithmes complexes de localisation de sources, combinés avec l’IRM anatomique, peuvent localiser avec beaucoup de confiance les sources d’activité parce quelles sont typiquement d’origine corticale

Question 42

Quel avantage significatif l’enregistrement MEG a par rapport à l’EEG?

Answer 42

Les champs magnétiques ne sont pas dérangés par le crâne. Ils peuvent être mesurés avec une résolution spatiale plus élevée que les champs électriques

Question 43

Quels sont les avantages de l’EEG et du MEG?

Answer 43

• Non-invasif
• Peu (EEG) à modérément (MEG) dispendieux
• Excellente résolution temporelle (ms)
• Bonne (MEG) à excellente (EEG) souplesse des paradigmes expérimentaux

Question 44

Quels sont les inconvénients de l’EEG et du MEG?

Answer 44

-Oirigine du signal complexe et ambigüe
-Résolution spatiale modérée (quelques mm au mieux) et dépendante d’un processus analytique complexe

Question 45

Quelle est la résolution spatiale, temporelle, le coût et l’invasiveness du IMRf?

Answer 45

Résolution spatiale : <1 mm
Résolution temporelle : 2-8 s
Coût : Dispendieux
Invasiveness : Non-invasif

Question 46

Quelle est la résolution spatiale, temporelle, le coût et l’invasiveness du PET?

Answer 46

Résolution spatiale : Environ 4 mm
Résolution temporelle : 1 min
Coût : Très dispendieux
Invasiveness : Injection radioactive

Question 47

Quelle est la résolution spatiale, temporelle, le coût et l’invasiveness du EEG?

Answer 47

Résolution spatiale : environ 1 cm
Résolution temporelle : environ 1 ms
Coût : Modéré
Invasiveness : Non-invasif

Question 48

Quelle est la résolution spatiale, temporelle, le coût et l’invasiveness du MEG?

Answer 48

Résolution spatiale : environ 1 mm
Résolution temporelle : environ 1 ms
Coût : Très dispendieux
Invasiveness : Non-invasif

Question 49

Quelle est la résolution spatiale, temporelle, le coût et l’invasiveness de l’imagerie optique?

Answer 49

Résolution spatiale : <1 mm
Résolution temporelle : 10-100 ms
Coût : Peu dispendieux
Invasiveness : Peut être invasif

Question 50

Quelles techniques permettent de facilement obtenir l’information sur les régions sous-corticales?

Answer 50

Seuls l’IRMf et la TEP
Techniquement possible avec la MEG mais très complexe

Question 51

Quelles considérations sont à prendre pour planifier une expérience?

Answer 51

-Coût vs budget
-Comité d’éthique
-Recrutement
-Disponibilité et maximisation des appareils
-Élaboration d’une hypothèse précise
-technique la plus appropriée pour valider son hypothèse
-Paradigme de tâches
-Analyses de données
-Et plus encore!

Question 52

Quels sont les 2 types de paradigmes de tâches?

Answer 52

Potentiels évoqués (event-related)
En bloc (block design)
Possibilité de faire des designs mixtes, mais l’analyse est beaucoup plus complexe

Question 53

Expliquez le paradigme de tâche “potentiels évoqués”

Answer 53

Sujet exposé à un groupe de stimuli, isolé, de courte durée
Exemples : Stimulus 1, Stimulus 2, Stimulus 3, Stimulus 2, Stimulus 3
Bon pour évaluer des processus de courte durée (prise de décision)

Question 54

Expliquez le paradigme de tâche “Design en bloc”

Answer 54

Sujet exposé à plusieurs catégories de stimuli en bloc
Exemple : 1er bloc : stimulus 1 ; 2e bloc : stimulus 2
On alterne les blocs pour accumuler des données
Bon pour évaluer des processus qui dirent plus longtemps (changement d’état cognitif/émotionnel)