Semaine 2 - Imagerie fonctionnelle du cerveau Flashcards
Différence entre imagerie structurelle et fonctionelle
Structurelle: Anatomie du cerveau
Fonctionnelle: Fonction du cerveau
Définis résolution temporelle
Capacité à distinguer les changements d’activité au fil du temps
- Ex: Faire la différence entre 2 neurones qui s’activent à des moments différents
Meilleure résolution temporelle = meilleure discrimination des événements rapides
Définis résolution spatiale
Capacité à discerner des composantes individuelles dans une image
- Ex: être capable ou non de distinguer deux petites structure ou est-ce que ça a l’air d’un blob
Meilleure résolution spatiale = meilleure discrimination des structures
Qu’est-ce qui permet de différencier chacune des techniques d’imagerie fonctionnelle du cerveau?
Ils ont chacun des résolutions temporelle et spatiale qui leur sont uniques
Quel liquide est contenu dans l’appareil d’imagerie par résonance magnétique (IRM)?
Hélium (He) liquide proche du zéro absolu
- Permet d’avoir une substance supraconductrice
Quels sont les principes de base de l’IRM?
Aimant
- Champ magnétique (B0) très puissant (de T1 à T7) 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 contrase (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
Explique le processus d’aligment de protons dans une imagerie par résonance magnétique
- Les protons tourent autour de leur propre axe, puis la charge positive de rotation induit un moment magnétique (petit aimant)
- Sans champ magnétique externe, les protons sont orientés dans toutes les directions
- Un champ magnétique très puissant (B0: T1-T7) induit un alignement des protons (ils devient parallèles et antiparallèles)
- Donc dans la machine IRM:
- Tête = parallèle
- Pieds = antiparallèle
- On a plus de protons en orientation parallèle, donc une force supplémentaire exercée sur la tête = on peut étudier la tête
Après l’alignement des protons dans l’IRM, que fait l’impulsion RF (radiofréquence)
- Avant impulsion RF: force magnétique nette dans le sens longitudinale vers la tête du sujet
- Durant impulsion RF: champ magnétique net est modifié
- Certains protons s’orientent antiparallèlement donc champ magnétique longidutinal diminue et transversal (perpendiculaire) augmente - Après arrêt de l’impulsion RF: champ longitudinal augmente et champ transversal diminue jusqu’à ce que le champ magnétique revienne au même état avant l’application de l’impulsion RF
Explique d’où viennent T1 et T2
La vitesse à laquelle les protons reviennent à leur état de base varie selon:
- L’axe B0 (longitudinale)
- L’axe B1 (transversale)
- Le tissu
T1 et T2 sont des contrastes entre l’état de base et l’état induit par l’impulsion RF
Les composantes de chacun des tissus ont des T1 et T2 différents, donc les tissus ont tous des contrastes différents
Que peut-on mesurer grâce à T1 et T2 respectivement
T1 (temps de relaxation longitudinal)
- Mesure temps nécessaire aux protons pour revenir à leur état d’équilibre après avoir été excités par une impulsion de radiofréquence
T2 (temps de relaxation transversal)
- 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). Autrement dit, c’est pour perdre l’équilibre transversal établi par l’impulsion RF
T1 et T2, que permettent-ils d’observer?
Plus le signal est fort, plus le signal est blanc
T1: surtout les matières grasses
- LCR = noir
- Mat grise = gris
- Mat blanche = blanc
T2: substances plus liquides, riches en eau
- LCR = blanc
- Mat grise = gris
- Mat blanche = noir
À quoi servent les bobines de gradient dans l’IRM?
Permet de faire varier le champ magnétique dans l’espace, ce qui crée une GRADIENT de champ magnétique
- En faisant varier le champ magnétique dans l’espace, on peut mesurer précisément les propriétés magnétiques provenant d’un petit élément de volume (un voxel)
- Voxel: petit champ magnétique venant d’un petit volume du cerveau
Qu’est-ce qui nous permet de faire des coupes en IRM?
Les bobines de gradient
- Champ magnétique est appliqué selon un gradient. Une impulsion RF n’excitera que les protons dans une tranche particulière
- L’impulsion RF ne peut exciter que des atomes ayant la même fréquence de précession, c’est-à-dire que l’impulsion RF peut seulement exciter les protons qui tournent à la même vitesse que l’impulsion RF
- DONC bobines de gradient –> changent la fréquence de précession –> création de gradient –> RF avec fréquence de précession spécifique vient exciter un endroit précis (voxel), qui a cette même fréquence de précession spécifique = Excitation d’une coupe spécifique
2 autres gradients (antéro-post + médial-lat)
- Permettent de mesurer l’intensité du signal dans des points spécifiques au sein de la coupe choisi
Combien de gradients sont appliqués en IRM?
Trois
T1 et T2, laquelle permet imagerie structurelle et laquelle permet imagerie fonctionnelle
T1 = Imageries structurelles
- Caractériser structure du cerveau car bonne résolution spatalle (environ 1 mm cube)
T2 = imageries fonctionnelles
- Mauvaise résolution spatiale (environ 27 mm cube)
Quel concept est au coeur de l’IRMf (Imagerie par résonance magnétique FONCTIONNELLE)
La relation entre l’activité cérébrale et le taux d’hémoglobines désoxygéné dans le sang
Dans une IRMf, est-ce qu’on mesure l’activité cérébrale directement ou indirectement?
Mesure indirecte
- À travers Blood Oxygenation Level Dependant (BOLD) IRMf
Décris le couplage neurovasculaire
Réseau sanguin capillaire arrive au voisinage des populations de neurones avec une taille fine permettant de réguler l’oxygénation sanguine de manière locale et fine
Qu’est-ce qui se passe au niveau physiologique lors de l’activité cérébrale? Autrement dit, qu’est-ce qui se passe au niveau physiologique lorsqu’on a de l’activité cérébrale?
- Activité cérébrale = métabolisme accompagnant activité neurale et production de neurotransmetteurs dans fente synaptique
- Augmentation de consommation en O2
- Augmentation du volume des capillaires et du flux sanguin
- Augmentation et Hb Oxy et diminution et Hb DésOxy
- IRMf signal augmente
Le signal BOLD se base sur quoi?
Le signal BOLD est un mélange de la concentration relative oxy/désoxy-Hb
- Plus la différence entre oxy et désocy est grande (car il y a moins de désoxy), plus le signal BOLD est grand
Est-ce que le signal BOLD corrèle avec des modèles mathématiques qu’on a faites?
OUI: On a couplé l’activité neuronale et le signal BOLD (dans le cortex visuel)
- Courbe BOLD expérimentale concorde avec courbe la courbe prédite par modelage mathématique
L’IRMf est une modalité à combien de dimensions?
4D:
- Volume (3D)
- Temps
Pour chaque voxel, on a une série de mesures (qq dizaines à qq centaines) séparées dans le temps
Quel type de tâche peut être couplé à une expérience d’IRMf?
Vu que les patients ne peuvent pas bouger dans l’IRM, ils peuvent juste effectuer des tâches simples qui ne recquièrent pas de mouvements
- Ex: ouvrir/fermer yeux
Ces tâches dans l’IRMf permettent de faire quoi?
Contruction d’une carte d’activation:
- On peut comparer le niveau d’activité BOLD de base au niveau d’activité BOLD surant la tâche
- On peut quantifier quelles régions sont spécifiquement plus activées durant la tâche en comparant avec une condition contrôle
Lorsqu’on réalise une expérience d’IRMf, il faut bien penser aux conditions d’intérêt et de contrôle, mais aussi aux différentes hypothèses. Explique-moi le lien entre les différentes hypothèses
On a des hypothèses psychologiques/cognitifs qui sont en lien avec des hypothèses neuronales, qui sont en lien avec des hypothèses hémodynamiques
Décris les étapes des analyses classiques en IRMf
- Correction du mouvement (PRÉ-TRAITEMENT)
- 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 - Smoothing ou lissage (PRÉ-TRAITEMENT)
- Normalisation (PRÉ-TRAITEMENT)
- Chaque cerveau est différent, ils doivent se ressemble pour être comparés - Application d’un modèle linéaire
- Création de cartes statistiques
Avantages de l’IRMf
- Non-invasif
- Excellente résolution spatiale (en mm) pour cerveau complet
- Bonne résolution temporelle (en sec) pour cerveau complet
- Bonne souplesse des paradigmes expérimentaux
Inconvénients de l’IRMf
- Dispendieux (expensive)
- Inconfortable
- Origine du signal complexe et ambigüe
- Reflet indirect de l’activité neurale aux travers des conséquences vasculaires
Que signife fNIRS
functional Near InfraRed Spectroscopy
= Imagerie optique
Définis imagerie optique
Technique non-invasive d’imagerie fonctionnelle
Qu’est-ce que l’imagerie optique mesure?
Mesure de manière indirecte l’activité du cerveau au moyen de capteurs et d’émetteurs optiques placés sur le cuir chevelu
La technique est basée sur l’émission de quel type de faisceau
Faisceau lumineu à des fréquences proches de l’infra-rouge
- Technique basé sur le même principe que quand tu mets flashlight sur ta main et tu vois à travers ta main
Quelle est la particularité de la trajectoire du faisceau utilisé dans l’imagerie optique
Elle a une trajectoire sous forme de banane, donc les capteurs doivent être à des endroits précis
L’absorption du faisceau proche de l’IR nous donne de l’info sur quoi?
L’oxygénation et la désoxygénation du sang, similairement à l’IRMf
La diffusion du faisceau proche de l’IR nous donne de l’info sur quoi?
Ça nous donne de l’information spatiale
Quels types de conclusions est-ce qu’on peut tirer de l’imagerie optique?
- Modèle expérimental: graphique de ratio HbO/Hb
- Cartes d’activation (modèles pre-coloring et modèle whitening + pre-coloring (restreinte aux zones visuelles))
Avantages de l’imagerie optique
- Possibilité de séparer les contributiona de l’oxy et désoxy-Hb (mieux que l’IRMf)
- Moins dispendieux (cheaper)
- Excellente résolution temporelle
- Excellente souplesse des paradigmes expérimentaux
Inconvénients de l’imagerie optique
- Moins bonne résolution résolution spatiale que l’IRMf
- Ne couvre pas tout le cerveau
- Mesure indirecte de l’activité neuronale, au travers de son impact vasculaire
Que signifie TEP?
Tonographie par émissions de positons
Quelle substance est injectée intraveineuse dans un TEP?
Le traceur:
- Substance marquée par un atome radioactif (souvent Fluore 18), qui émet des particules, des positons
- Le traceur est choisi pour se fixer sur un organe, un tissu
Décris les étapes d’un test TEP
- Injections intraveineuse du traceur. Sang circule préférentiellement aux zones à haut métabolisme (ex: zones actives du cerveau)
- Traceur se désintègre = émission de positrons
- Positrons rentrent en contact avec électrons
- Émission de rayons gamma dans la direction opposée
- Rayons gamma détectés par appareil (cyclotron)
Qu’est-ce qu’un cyclotron
Appareil pour mesurer qt. de rayons gamma
- C’est un accélérateur de particules qui propulse un faisceau de protons en continu suivant une trajectoire circulaire
Les rayons gamma détectés par le cyclotron fournissent des indicaiton sur quoi?
La concentration absolue de ce composé (traceur) dans différentes régions du cerveau
- Différents traceurs = différentes informations
Avantages du TEP
- Quantitatif
- Donne une idée précise du phénomène physiologique mesuré
- Possibilité de développer un traceur dédié pour une cible spécifique
- Souplesse bonne à modérée des paradigmes expérimetaux, selon le traceur choisi
- Pas de buit, donc on peut faires des études en lien avec la musique
Inconvénients du TEP
- Mauvaises résolutions spatiale (cm) et temporelle (min)
- Très dispendieux (expensive asf)
- Injections de traceurs radioactifs au participant
- Relativement difficile d’accès
Que signifie EEG
Électroencéphalographie
Décris l’EEG
Technique non-invasive qui mesure l’activité électrique générée par les cellules nerveuses par le biais d’électrodes placés sur le cuir chevelu
Qu’est-ce qu’un électroencéphalogramme?
C’est la transcription sous forme d’un tracé des variations dans le temps de l’activiré électrique du cerveau
Quel instrument est utilisé pour l’EEG
Participant doit porter un bonnet avec des électrodes sous cousses à des emplacements standardisés
- Ajout d’un gel conducteur pour combler l’écart entre cuir chevelu et électrode (créé une connexion électrique continue)
D’où proviennent les signaux mesurés en EEG?
Principalement des courants cellulaires provenant de l’activité excitatrice et inhibitrice au niveau synaptique des neurones pyramidaux des couches III, V et VI.
C’est la mesure la plus directe de l’activité électrique générée par le cerveau
MAIS, plus on va profond, moins la résolution spatiale est bonne
Quel est un exemple d’expérience démontrant un Event-related Potential (ERP)?
Montrer des photos de chien à quelqu’un qui a peur des chiens
- On répète plusieurs fois (30-50 fois)
- On fait une moyenne de l’activité observée au travers des essais
- Élimination du bruit non-relié à la tâche
Que signifie MEG?
Magnétoencéphalographie
Un MEG mesure quoi?
Mesure le champ magnétique associé à l’activité cérébrale plutôt que l’activité électrique
Quel instrument est utilisé lors d’un MEG?
Détecteurs SQUID
- Superconducting QUantum Interference Device
- Plusieurs SQUID avec des bobines de détection sur la tête
Que montre le MEG?
Lors d’une exposition à un stimulus auditif:
- Répartition du champ magnétique non-uniforme au niveau de la tête (changements d’intensité)
- MEG montre l’estimation de l’emplacement des neurones sources (neurones de réponses au stimulus) dérivés par analyse de source bipolaire
Quelles sont les étapes d’analyses du MEG?
- Modélisaiton par dipôles
- Quand il y a deux régions adjacentes d’activité magnétique avec polarités opposées, il y a probalbement un dipôle électrique entre elles, indiquant une concentration d’activité neuronale - 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 qu’elles sont typiquement d’origine corticale.
Quel est un avantage de l’enregistrement MEG par rapport à l’enregistrement EEG?
Les champs magnétiques ne sont pas dérangés par le crâne. Ils peuvent être mesurés avec une résolution spatiale plus élevées que les champs électriques
Avantages des EEG et MEG
- Non-invasif
- Peu (EEG) à modérément (MEG) dispendieux
- Excellente résolution temporelle (ms)
- Bonne (MEG) à excellente (EEG) souplesse des paradigmes expérimentaux
Inconvénients des EEG et MEG
- Origine du signal complexe et ambigüe
- Résolution spatiale modérée (quelques mm au mieux) et dépendante d’un processus analytique complexe
Quelles techniques d’imagerie permettent d’obtenir de l’information sur les régions sous-corticales?
Facilement:
- IRMf
- TEP
De manière très complexe:
- MEG
En ce qui concerne les paradigmes des tâches, quelle est la différence entre des potentiels évoqués et le block design?
Potentiels évoqués:
- Sujet exposé à un groupe de stimul, isolé, de courte durée
- Ex: stimulus 1, stimulus 2, stimulus 3, stimulus 2, stimuslus 3
- Bon pour évaluer des processus de courte durée (prise de décision)
Design en bloc
- Sujet exposé à plusieurs catégories de stimuli en bloc
- Ex: 1er bloc = stimulus 1, 2e bloc = stimulus 2
- On alterne entre les blocs pour accumuler assez de données
- Bon pour évaluer des processus qui durent plus longtemps (changement d’état cognitif/émotionnel)
Possibilité de faire des designs mixtes, mais l’analyse est beaucoup plus complexe
