Introduction partie I:Qu’est-ce que l’IRM cérébrale?
Oury monchi, PhD
Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université de
Montréal
RAD6005 – Introduction à l’IRMf
Plan du cours RAD6005, hiver 2010
11 conférences de 3 heures
5 travaux pratiques de 3 heures devant ordinateur
1 examen devant ordinateur (20%)
1 présentation en groupe (20%)
1 examen écrit (60%)
3 crédits
5 avril
23 avril
6 mars et 2 avril
Cours théoriques1. (16 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction IRM et anatomie (Jean-Sebastien Provost)
2. (23 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction aux contrastes d'IRM (Dr. Rick Hoge)
3. (30 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Reconstruction d'images (Dr. Rick Hoge)
4. (6 février) ‐‐‐‐‐‐ BOLD et devis expérimentaux
5. (13 février) ‐‐‐‐‐‐ Prétraitement
6. (20 mars) ‐‐‐‐‐‐ Analyses d'images IRMf
7. (12 mars) ‐‐‐‐‐‐ Normalisation
8. (19 mars) ‐‐‐‐‐‐ IRM structurelle
9. (26 mars) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 1***
10. (2 avril) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 2***
11. (9 avril) ‐‐‐‐‐‐ Etudes de connectivité par IRMf (Dr. Pierre Bellec)
11. (23 avril) ‐‐‐‐‐‐ **Examen théorique**
Ateliers informatiques(Jean-Sebastien Provost et Ahmed Ibrahim)
1.Vérification des données et pré-traitement
2.Modèle linéaire
3.Moyennage et normalisation
4.Seuillage et visualisation des données
5.Repérage des zones et report des résultats
6.Examen pratique (données à analyser)
Résolutions temporelles et spatiales
Chaque technique a une résolution temporale et spatiale différente.
Études anatomiques
Études Fonctionnelles
Études physiologiques
Techniques d’IRM
Pas couverts dans ce cours
Notre Siemens
3T
Histoire La première image IRM a été publiée en
1973
La première image d’un sujet humain a été complétée en 1977 et a pris presque 5 heures à acquérir (Damadian et al.)
En 2003, Dr. Paul Lauterbur et Sir Peter Mansfield ont reçu le prix Nobel pour leur découverte
Bobine de radiofréquenceLa bobine de radiofréquence nous donne différents champs de vision dépendemment de sa forme
Principes de base de l’IRM
Aimant: Champ magnétique (B0) très puissant (de 1 à 7T) et homogène, qui va inciter les protons d’hydrogène à s’aligner. **Champ magnétique de la terre = 0.00005T!!**
Bobine de radiofréquence: envoie une impulsion (B1) à la fréquence de résonance de l’hydrogène. Après être entrés 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 (p.ex. T1)
Bobine de gradients: le signal généré par la RF ne nous donne pas d’information spatial en temps que tel, ce sont les bobines de gradients alignées sur trois axes (x,y,z) qui nous permettent de le faire.
• Spins des protons d’Hydrogène
IRM: Principes de Base
• Spins des protons dans le champ statique B0
IRM: Principes de Base
• Effets de radiofréquences en résonance
IRM: Principes de Base
• Temps de relaxation des spins (T1 et T2)
IRM: Principes de Base
• Temps de relaxation de T1 et T2
IRM: Principes de Base
IRM: Principes de Base
Principes de base de l’IRM
Gradients:Chaque gradient crée un champ dans une direction
différente. Il y en a donc trois, pour couvrir les trois axes.
IRM: SécuritéLe champ magnétique B0 est toujours présent, même lorsque le scanner n’est pas en marche.
Ceci veut dire que tout métal est interdit à tout temps dans la salle d’IRM
IRM: Sécurité
Différentes méthodesAnatomie
Peut être l’anatomie avec différents contrastes (T1, T2, PD), ou anatomie vasculaire
Voxel-based morphometryMéthode pour regarder les différences de volume de matière blanche ou grise entre plusieurs cerveaux
DTI (imagerie à tenseurs de diffusion)Sert à regarder les fibres de la matière blanche
SpectroscopieUtilise les “spins” d’autres molécules que l’hydrogène (tel que le carbone) pour créer une image
Anatomie: T1
Anatomie vasculaire
Voxel Based Morphometry
Brenneis et al., 2004 - JNNP
Imagerie en tenseurs de diffusion (DTI)
Spectroscopie
Imagerie en résonance magnétique
fonctionnelle(IRMf)
Principes de base de l’IRMf
On connait une relation entre l’activité cérébrale et le taux d’hémoglobine déoxygéné dans le sang
Début des années 90, il a été découvert qu’une séquence d’impulsions produites par l’IRM pourrait mesurer le taux d’hémoglobine déoxygénée
Ceci a donné naissance au Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) fMRI, ou T2*, qui nous donne une mesure indirecte de l’activité cérébrale
Principes de base de l’IRMf
Principes de base de l’IRMf (BOLD)
Arterial spin-labeling (ASL)
Utilise des pulses de RF sélectionnés spécialement pour marquer le sang artériel qui circule dans le cerveau.
Nul besoin d’injecter un agent de contraste (Comme en PET ou SPECT)
Les mesures de flux peuvent s’acquérir rapidement
Principes de l’ASL
1. Marquer le sang arteriel rentrant par inversion magnétique
2. Acquérir l’ image marquée
3. Répéter l’éxpérience sans marquage4. Acquérir l’image contrôle
Arterial spin-labeling (ASL)
Utilise des pulses de RF sélectionnés spécialement pour marquer le sang artériel qui circule dans le cerveau.
Nul besoin d’injecter un agent de contraste (Comme en PET ou SPECT)
Les mesures de flux peuvent s’acquérir rapidement
Principes de l’ASL
1. Marquer le sang arteriel rentrant par inversion magnétique
2. Acquérir l’ image marquée
3. Répéter l’éxpérience sans marquage4. Acquérir l’image contrôle
K.J. Bangen et al. / Neurobiology of Aging 30 (2009) 1276–1287
Principes de base de l’IRMf
Pour pouvoir visualiser un effet, il faut moyenner beaucoup de sujets avec beaucoup de runs chacun
L’idéal est moins de sujets mais des heures de scan (bien sûr impossible)
Types de dessins expérimentaux et analyses
Dessins expérimentauxBlock design (dessin en blocks)
Comparaison de longues périodes (ex 16s) d’une condition avec une longue période d’une autre condition
Approche traditionnelleLe plus puissant en termes statistiquesDépend moins du modèle hémodynamique créé
Event-related design (dessin évènementiel):Comparaison de conditions à périodes courtes (ex
1s)Assez nouveau (date d’à peu près 1997)Moins puissant statistiquement, mais a beaucoup
d’avantages
Dessins expérimentaux
Dessin en
blocks
Dessin évènementiel espacé
Dessin évènementiel mixte
AnalysesCorrection du mouvement
Chaque sujet bouge un peu pendant la sessionSi une structure est à une place au début et une
autre à la fin, les analyses ne seront pas valides
“Smoothing”, ou lissage
NormalisationChaque cerveau est différent, il faut qu’ils se
ressemblent pour pouvoir les comparer les uns aux autres
Application d’un modèle linéaire
Création de cartes statistiques
Pre-processi
ng
Analyses
Modeling the expected response (fmridesign)
(From Dr. J. Armony)
Modeling the data (GLM)
(From Dr. J. Armony)
Connectivité Connectivité
fonctionelle: On choisit une région
d’intérêt, et on voit quelles régions corrèlent avec
On ne verrait pas de différence entre ces deux situations
Connectivité effective: On choisit plusieurs
région d’intérêt et une région avec laquelle on pense qu’elle corrèle, et on regarde si c’est une corrélation directe ou non
On peut voir la différence entre ces deux situations
Connectivité
Le but est d’identifier les régions qui se co-activent – i.e. d’après le modèle linéaire, quelles régions varient ensemble?
Importance des hypothèses
“Science sans conscience n’est que ruine de l’âme!” (François Rabelais)
Une expérience sans question ou hypothèse ne sert pas à grand chose et peut être coûteuse!
L’important c’est la question, si l’IRMf peut y répondre. Il faut savoir faire des dessins expérimentaux appropriés.
Importance des hypothèses“We are also believers in good old-fashioned experimental design, like those dreaded psychophysicists that you keep mentioning. We try to teach our students that the most amazing patient or the most advanced method is useless if you don’t design the experiments right. Which may seem obvious, but apparently it isn’t always!”
“I worry that many of my colleagues have become so entranced with neuroimaging that they think cognitive neuroscience is just cognitive neuroimaging. This is really unfortunate because there are fundamental questions that imaging can’t answer and patient-based research can.”
Prof. Martha Farah
Variations dans l’IRMf
Attention: Attention les différences BOLD entre 2 groupes surviennent des différences d’activité neuronale, mais aussi différences dans le métabolisme chez les individus.
Cette différence augmente si l’on compare des individus d’âge différent ou atteints de maladies différentes
Certains chercheurs essaient de répondre à cette question, en faisant d’autres types d’acquisitions qui s’intéressent plus spécifiquement au métabolisme (ex Dr. Rick Hoge au CRIUGM)
Paramètres Nécessaires Paramètres Nécessaires lors de la Publication lors de la Publication
d’Articles en IRMfd’Articles en IRMf
Théorie proposéeThéorie proposéeMonitoring/Monitoring/associationassociation
Comparaison/Comparaison/SélectionSélection
AssociationAssociationstimulus/actionstimulus/action
OrganisationOrganisationdans la mémoire dans la mémoire
de travailde travail
Planification,Planification,sélection ou sélection ou
exécution d’une exécution d’une nouvelle action nouvelle action
NiveauxNiveaux
PutamenPutamen
CORTEXCORTEXPréfrontalPréfrontal
Caudé Caudé ventralventral
Caudé Caudé dorsaldorsal
DorsalDorsal9, 469, 46
VentralVentral47/1247/12
PostérieurPostérieurint 6, 8, 44int 6, 8, 44
STRIATUMSTRIATUM
Montreal Card Sorting Task, Étude I
Cue card
• Retrieval w/o shift
• Retrieval w/ shiftvs
Monchi et al., Ann. Neurol., 2006
Prédictions
avec changement: CPF-VL+ Noyau caudé
sans changement: CPF-VL, PAS de striatum
Montreal Card Sorting Task• Changement de règle continu
Matching according to colourMatching according to colour Matching according to numberMatching according to number
• Condition contrôle Prédictions
Changement de règle continu: CPF-VL, PAS de striatum
IRMf MCST: IRMf MCST: Contrôles en santéContrôles en santé
33
77T-stat T-stat
CueCue CardCard
Retrieval NO shiftRetrieval NO shift
VS
ControlControl
CueCue CardCard
Retrieval WITH shiftRetrieval WITH shift ControlControl
VS
X = 18X = 18Continuous shiftContinuous shift ControlControl
VS
Y = -4Y = -4
VL-PFC
Caudate
VL-PFC
No striatumNo striatum
VL-PFC
No striatumNo striatum
Monchi et al. Feb 2006, Annals of NeurologyMonchi et al. Feb 2006, Annals of Neurology
Continuous shiftContinuous shiftRetrieval WITH shiftRetrieval WITH shift
VS
Retrieval WITH shiftRetrieval WITH shift
VS
Retrieval NO shiftRetrieval NO shift
fMRI MCST: Healthy Controls
X = 12X = 12 2.52.5
55T-stat T-stat
Caudate
Le noyau caudé n’est pas particulièrement impliqué dans le changement de règle en soi, mais dans la planification d’une
nouvelle action.Monchi et al. Feb 2006, Annals of NeurologyMonchi et al. Feb 2006, Annals of Neurology
Cue CardCue Card CueCue CardCard
Cue CardCue Card
33
55T-stat T-stat
X = 12X = 12
CaudatePutamenPutamen
Lecture recommandée et remerciements
Functional Magnetic Resonance Imaging, de Scott A. Huettel, Allen W. Song et Gregory McCarthy
Mise en place des diapos Kristina Martinu, étudiante au PhD, PCAN lab
Diapositives:http://unfweb.criugm.qc.ca/oury/Site/Downloads.html
Top Related