Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)

Question 1

Qu’est-ce que l’IRMf? En quoi consiste-t-elle? Que permet-elle?

Answer 1

• Une application de l’imagerie par résonance magnétique permettant de visualiser, de manière indirecte, l’activité cérébrale
• Consiste à enregistrer des variations hémodynamiques (du flux sanguin) cérébrales locales minimes, lorsque ces zones sont stimulées
• Permet d’obtenir des images fonctionnelles à la résolution 2-3 mm en 1-2 secondes, en continu et sans injection de produit radioactif

Question 2

Sur quoi est basée la localisation des zones cérébrales en IRMf?

Answer 2

Sur l’effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant), lié aux propriétés magnétiques de l’hémoglobine contenue dans les globules rouges du sang
= lié au changement d’oxygénation dans le sang

Question 3

Quelles sont les bases physiologiques de l’IRMf, en termes d’étapes?

Answer 3

Cycle :
1. Activité neuronale : modifie quasi-instantanément la libération et liaison de neurotransmetteurs
= activité neurochimique
2. Augmentation du métabolisme cérébral :
- évènements cellulaires consommation d’énergie sous forme de dégradation d’ATP = activité énergétique
-> activité métabolique : apport et consommation en glucose et oxygène
3. Augmentation de l’oxy-hémoglobine
- activité hémodynamique (visible en IRMf) : augmentation du débit sanguin (volume sanguin 50% ; apport glucose 5% ; apport oxygène 5%)
4. Utilisation de l’oxygène et du glucose par les neurones en activité (+5%)

Question 4

Que sont l’hémoglobine, l’oxy-hémoglobine et la désoxy-hémoglobine?

Answer 4

• Hémoglobine : protéine qui transporte l’oxygène dans le sang
• Oxy-hémoglobine (oxy-Hb) : hémoglobine chargée en oxygène
• Désoxy-hémoglobine (désoxy-Hb) : hémoglobine non chargée en oxygène

Question 5

Quel est le processus physiologique qui mène à la faible hausse transitoire du signal en pondération T2*? Où intervient le couplage neurovasculaire?

Answer 5

> Activité neuronale -> augmentation de la consommation en O2 et augmentation plus importante du débit sanguin local (= couplage neurovasculaire)
Augmentation débit sanguin local étant plus importante que l’accroissement de la consommation en O2 -> activation neuronale se traduit par augmentation relative en oxy-Hb par rapport à la désoxy-Hb dans les zones activées
Cette baisse relative en concentration de désoxy-Hb peut être détectée en IRM sous la forme d’une faible hausse transitoire du signal en pondération T2*

Question 6

A quoi correspond T2? Quelle est la différence entre l’image pondérée en T1 et celle pondérée en T2?

Answer 6

> T2 = temps de relaxation transverse : retour à l’équilibre des spins selon le plan X;Y
= temps que ces spins des noyaux d’hydrogène mettent à se déphaser de nouveau
Image pondérée en T1 pour images anatomiques
Image pondérée en T2 pour images fonctionnellement repérer l’effet BOLD

Question 7

Sur quel principe physique repose l’IRMf?

Answer 7

Propriétés magnétiques de l’hémoglobine :

• oxy-Hb : diamagnétique -> très faiblement influencé par le champ magnétique -> pas de perturbation (lignes parallèles)
• désoxy-Hb : paramagnétique -> propriété de substances qui sérancent lorsqu’elles sont placées dans un champ magnétique externe -> perturbation locale de l’homogénéité du champ magnétique (lignes non parallèles)

Question 8

En quoi la désoxy-hémoglobine est-elle un véritable agent de contraste endogène? En quoi cela est-il lié à l’augmentation du signal IRM?

Answer 8

Lorsque sujet placé dans IRMf, chaque molécule de désoxy-Hb (paramagnétique) provoque une perturbation locale de l’homogénéité du champ magnétique
-> déphasage des spins des noyaux d’hydrogène
<=> désoxy-Hb diminue l’intensité du signal en pondération T2*
Activité cérébrale -> hétérogénéité du champ magnétique réduite puisqu’il y a une baisse de la concentration en désoxy-Hb -> signal IRM va augmenter

Question 9

En quoi consiste l’effet BOLD?

Answer 9

Blood Oxygen Dependant :
Augmentation du flux sanguin local -> augmentation relative en oxy-Hb par rapport à la désoxy-Hb
<=> diminution de la concentration en désoxy-Hb
-> diminution de l’hétérogénéité magnétique (déphasage des spins) -> augmentation du signal IRM -> augmentation du temps de relaxation T2 (spins se déphasent moins rapidement)

Question 10

Quelles sont les étapes de la dynamique temporelle du signal BOLD?

Answer 10

> Base : signal BOLD à 0% (valeur de base)
[présentation du stimulus]
‘Initial dip’ (déclin initial) : augmentation consommation O2 -> augmentation concentration désoxy-Hb parce que pas encore d’apport d’O2
Effet BOLD : augmentation débit sanguin -> augmentation oxy-Hb = hyperoxygénation
-> baisse concentration désoxy-Hb (paramagnétique)
-> augmentation signal IRM en T2
[signal constant - plateau - se maintient tant que dure la stimulation]
‘Undershoot’ : arrêt de la stimulation
- vasodilation temporaire
- sur-consommation d’O2 puisque débit sanguin stable
-> signal décroît en-dessous de sa valeur de base
Réponse BOLD dure entre 15 et 20 secs après présentation du stimulus.
Cette réponse a lieu même pour des stimulations très brèves.

Question 11

Quelle est la relation entre l’activité neuronale et le signal BOLD? Quels sont les paramètres qui la module?

Answer 11

Relation indirecte entre activité neuronale et signal BOLD, modulée par un grand nombre de paramètres :

• qualité et intensité de la réponse neuronale à un stimulus
• couplage neurovasculaire
• caractéristique propres à la réponse hémodynamique
• paramètres instrumentaux de détection du signal

Question 12

Quelles sont les 2 méthodes d’analyse qui permettent de comparer différentes états d’activité cérébrale? Pourquoi utilise-t-on ces méthodes et non directement l’IRMf pour ce faire?

Answer 12

IRMf ne permet pas de quantifier de façon absolue le niveau d’activité cérébrale

• > 2 méthodes :
• méthode soustractive
• méthode paramétrique

Question 13

En quoi consiste la méthode soustractive (de soustraction cognitive)? Que nécessite l’élaboration en IRMf d’un protocole expérimental?

Answer 13

> Acquérir les données sous 2 conditions
- paradigme différentiel prend pour référence une condition contrôle identique en tout point à la condition expérimentale, à l’exception du processus d’intérêt
-> ces 2 conditions ne diffèrent que dans le processus cognitif d’intérêt
Comparer les images cérébrales acquises dans ces 2 conditions
- différence d’activité cérébrale (régions impliquées) entre ces 2 conditions est attribuable au seul processus d’intérêt
-> élaboration en IRMf d’un protocole expérimental qu’après avoir clairement formulé la problématique du fonctionnement mental étudié ET savoir quels sont les processus cognitifs d’intérêts

Question 14

En quoi consiste la méthode paramétrique? Quels sont les avantages de cette méthode?

Answer 14

> Utilisation d’une variation continue d’un paramètre de stimulation ou de tâche (ex. charge de Mdt, contraste de stimulus)
Hypothèse : corrélation entre l’activité cérébrale et les variations du paramètre de la stimulation
- effet linéaire, quadratique ou autre
Avantages :
- permet de voir l’évolution de l’activité cérébrale en fonction des paramètres de la stimulation
- pas besoin de trouver une condition contrôle optimale identique en tout point à la condition expérimentale

Question 15

Qu’est-ce qu’un paradigme d’activation (expérimentaux)? Quel est son importance? Quels paradigmes existent-il en IRMf

Answer 15

Séquence de stimuli que l’on utilise pour mettre en évidence l’activité cérébrale recherchée
-> étape cruciale en IRMf
2 types de paradigmes expérimentaux en IRMf :
- paradigme en bloc
- paradigme séquentiel

Question 16

En quoi consiste le paradigme en bloc? Quels en sont les avantages et inconvénients?

Answer 16

> Les activités sont organisées en bloc de quelques dizaines de secs qui alternent à intervalles réguliers
- périodes d’activation (A) : série d’essais identiques, répétés rapidement (intervalle 40 secs)
Au sein d’un même bloc, les réponses hémodynamiques vont se chevaucher et s’accumuler avant de former un plateau, 8 à 10 secs après le début de l’activation
Avantages :
- facilité de mise en oeuvre
- offre de très bon rapports signal/bruit parce qu’il n’y a une sommation sur plusieurs secs de la même tâche effectuée en bloc
- nombre de répétitions est moins important que lors de l’utilisation d’autres design expérimentaux
Inconvénients :
- processus transitoires peu ou pas explorés (paradigme ne fournit que l’activité moyenne au cours de chaque bloc) -> pas d’info sur la dynamique de la réponse BOLD
- stimuli deviennent prévisibles -> effet d’habituation
- peut induire une diminution de la concentration du sujet

Question 17

En quoi consiste les paradigme évènementiels? Quels en sont les avantages et inconvénients? A quelles études sont-ils adaptés?

Answer 17

> Activités ou stimuli uniques
Enchaînement pseudo-aléatoire
Paradigme évènementiel lent :
- essais sont exposées les uns après les autres au alentours de 12 à 20 secs pour que signal BOLD (qui est lent) retourne à son niveau de base (dynamique temporelle de réponse hémodynamique > évènement neuronal sous-jacent) avant de générer autre stimulation
<=> tâche effectuée pendant bref intervalle de temps (quelques secs), ensuite suivie d’une période de contrôle suffisamment longue pour que signal retombe à son niveau de base
Paradigme évènement rapide :
- essais toujours aléatoires mais se succèdent beaucoup plus rapidement (2-3 secs) -> chevauchements du signal BOLD
- aléatoiriser les intervalles inter-stimulus permet d’utiliser des intervalles très courts en ayant une efficacité équivalente à celle observée avec paradigmes évènementiels lents
Avantages :
- processus transitoires accessibles : on peut catégoriser la réponse hémodynamique dans les régions activées, en latence, amplitude ou largeur
-> paradigmes particulièrement adaptés aux études visant la chronométrie des activations cérébrales
Inconvénients :
- rendement faible : protocoles plus que protocole en bloc car une grande partie du temps utilisée sans qu’une tâche soit réalisée par le sujet, en particulier pour paradigme évènement lent

Question 18

Quelles sont les étapes d’analyse en IRMf?

Answer 18

1. Normalisation spatiale :
   - nécessaire pour comparer des sujets différents ou des examens réalisés à différents moments
   - > images vont être recalées entre 2 examens OU par rapport à un atlas de référence pour les rendre superposables dans un même repère spatial
2. Prétraitements :
   - images lissées pour diminuer le bruit et artefacts (notamment induits pas mouvements de tête) ET vont être corrigées
3. Spécification du modèle statistique :
   - analyse statistique fondée sur modélisation mathématique de la réponse hémodynamique attendue
   - > Modèle Linéaire Général
   - matrice de dessin (‘design matrix’) permet la modélisation -> désigne le paradigme expérimentale ; courbes théoriques de la réponse hémodynamique / signal BOLD prennent en compte décalage temporel entre l’activation neuronal et réponse hémodynamique mesurée
4. Estimation du modèle statistique :
   - détecter, voxel à voxel, ceux dont la variation du signal dans le temps est liée aux tâches d’activation
   - pour chaque voxel, chercheur essaye de trouver la meilleure adéquation entre modèle (prédiction) et signal IRMf
5. Carte statistique (‘Statistic Parametric Map’)
   - si adéquation, les voxels considérés comme statistiquement significatifs sont représentés en superposition sur image morphologique haute résolution
   - > mixes localiser les régions activées

Question 19

Quelles sont les sous-étapes du prétraitement des données en IRMf? Qu’est-ce que l’interpolation temporelle?

Answer 19

1. Filtrage séquentiel
   - on essaye de réduire au maximum le bruit, pour augmenter ratio signal/bruit
   - bruit physiologique (effets respiratoires et cardiaques) = basses fréquences
2. Réalignement temporel
   - image du cerveau entier est acquise par coupes (environ 30) MAIS les coupes ne sont pas enregistrées au même moment -> acquisition du cerveau entier en 2-3 secs -> nécessaire d’aligner les données dans le temps par rapport à la présentation de la stimulation
   - > interpolation temporelle = faire comme si chaque coupe avait été acquise au même temps
3. Correction des mouvements (rotation, translation)
   - les mouvements du sujet au mm peuvent créer des artefacts -> correction des images dues aux mouvements du participant pendant l’IRM
   - logiciel estime les mouvements puis les corrige -> écrit de nouvelles images pour recaler images vers référence commune

Question 20

Que permet une analyse de groupe par rapport à une analyse individuelle?

Answer 20

> Analyse individuelle : analyse de 1er niveau
Analyse de groupe : analyse de second niveau
- moyenne les effets
- boost les activations, limite le bruit -> détection d’activations faibles
-> augmente la puissance statistique (nécessaire car signal est faible, à 5%)
-> identifie les profils d’activité reproductibles (régions qui s’activent chez la majorité des participants)

Question 21

La puissance statistique des résultats en IRMf est-elle augmenter uniquement avec des analyses de groupe?

Answer 21

Aussi avec l’intensité du champ magnétique :

• en général machine IRM à 3 tesla
• il existe une machine à 11,7 tesla

Question 22

En quoi consiste l’interprétation des analyses IRMf? A quoi faut-il faire attention?

Answer 22

Hypothèses hémodynamiques -> hypothèses neuronales -> hypothèses psychologiques
Attention car :
- nombreux paramètres (acquisition, modèle cognitif, prétraitement, matrice design, etc.)
- l’activité hémodynamique mesurée est un reflet de l’activité neuronale, qui a un niveau de définition très éloigné des construits en psychologie