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04/10/2023 Pr. SCHNEIDER UE6 Système neurosensoriel Dilan FINDIK Mathis COLOMBET IRM fonctionnelle d’activation cérébrale I. Introduction L’IRM fonctionnelle (IRMf) est un examen qui sert à mesurer de façon indirecte l’activité du cerveau. C’est-à-dire à étudier les zones cérébrales activées en f...

04/10/2023 Pr. SCHNEIDER UE6 Système neurosensoriel Dilan FINDIK Mathis COLOMBET IRM fonctionnelle d’activation cérébrale I. Introduction L’IRM fonctionnelle (IRMf) est un examen qui sert à mesurer de façon indirecte l’activité du cerveau. C’est-à-dire à étudier les zones cérébrales activées en fonction d’une action ou d’une tâche. Le principe étant d’utiliser un traceur endogène (= déjà présent dans le corps) qui est l’hémoglobine et qui va être soumis à un effet BOLD (Blood Oxygenation Level Dependant). 1. Principe Sur une IRM anatomique pondérée en T1, une tumeur est représentée par une zone en hyposignal. L’IRM fonctionnelle va permettre de mettre en évidence des régions représentant le langage, la motricité ou les mimiques lorsque celles-ci sont activées. En fonction de leur proximité avec la tumeur, l’intensité de ces régions va être plus ou moins forte. Ainsi, plus la distance entre la zone d’activité et la tumeur est faible, plus le risque d’endommager la fonction est élevé. En clinique : l’IRM fonctionnelle permet de faire un bilan pré-chirurgical et évaluer les bénéfices et risques d’une intervention. Il y a plusieurs techniques pouvant mesurer l’activité cérébrale : Abscisse : résolution temporelle. Plus on va vers la droite, plus elle est de mauvaise qualité et plus ça prend du temps de faire l’image. Ordonnée : résolution spatiale, plus on monte plus elle est mauvaise. Figure 1 Techniques mesurant l'activité cérébrale Il y a 2 techniques qui pourront être utilisées en cliniques : - L’IRM résolution temporelle (abscisse) moyenne et spatiale (ordonnée) - TEP (tomographie par émission de positons) : utilisation d’un traceur (glucose, eau marquée radioactivement) mais les résolutions spatiale et temporelle sont moins bonnes comparées à celles de l’IRM fonctionnelle. Une autre différence est le fait que le TEP est irradiant, alors que l’IRM fonctionnelle n’est pas irradiante. II. Application de l’IRM fonctionnelle L’IRM fonctionnelle est utilisée en neuroscience pour comprendre le fonctionnement du cerveau normal et pathologique. Donc une meilleure compréhension des circuits neuronaux impliqués. Il y a 2 applications principales de l’IRM fonctionnelle qui sont le mapping pré-chirurgical (neuronavigation) et la chirurgie de l’épilepsie. Page 1/9 III. Définitions 1. Rappels L’IRM utilise un champ magnétique, qui crée un état d’équilibre avec les protons du corps humain, avec des perturbations. C’est un examen non ionisant. Plus on aura un champ magnétique fort, et plus on aura un signal intense. Différentes intensités : -1,5 teslas (champs courant) -2 à 4,7 teslas (fort champ) -7 à 9,4 teslas (très fort champ) L’IRM fonctionnelle est dite d’imagerie avancée. Elle ne nécessite pas d’injection de produit de contraste. C’est donc un examen non invasif que l’on peut répéter. Contrairement à un examen d’IRM classique où l’on obtient des informations anatomiques, ici, on va vouloir mesurer l’activité dans le cerveau. On va alors demander au patient d’effectuer des exercices dans la machine tel qu’ouvrir et fermer la main, faire un sourire et un bisou, bouger la cheville… Les exercices se font en fonction de la zone cérébrale que l’on veut étudier. On va pouvoir donner des consignes audios avec un casque spécialisé, des consignes visuelles avec des écrans ou 2 miroirs. 2. Les différents exercices étudiés Pour chaque exercice, on étudie un mouvement à la fois. Ainsi, pour étudier le cortex moteur : on fait bouger le pied, la cheville, la main… On peut aussi étudier le visage/mimique (plus complexe car lorsque l’on bouge la mandibule, la tête bouge aussi et ce n’est plus seulement le visage) : se sera surtout des mouvements des lèvres de type « sourire/bisou ». L’étude du langage est également possible. On préconise alors l’étude de 2 exercices pour plus de précision. La mesure de chaque mouvement prend bien 5 minutes par mouvement. A cela il faut rajouter les temps d’acquisition anatomique (T1, FLAIR…), les acquisitions avec injection… ce qui en fait un examen très dense. Pour rappel : L’hémisphère gauche contrôle le côté droit et l’hémisphère droit le côté gauche. De plus, le bas du corps (pieds, jambes) va se retrouver en haut du cortex, la main dans la partie moyenne du cortex, et le visage dans la partie basse du cortex. Suivant la position de la tumeur, on va adapter notre exercice. 3. Exemple A gauche : IRM pondérée en T1 avec un hyper signal (entouré). C’est une tumeur vasculaire : malformation artérioveineuse. A droite : IRM fonctionnelle, on est proche du sillon central avec autour les zones de la motricité et de la somesthésie. Lors de l’IRM fonctionnelle on va faire bouger la main de l’hémisphère cérébral correspondant. Cette activité est représentée par une tâche rouge (tache au centre du cercle). Figure 2 IRM Ce n’est pas instantané, chaque exercice/mouvement va mettre 5 min. Page 2/9 IV. Effet BOLD « Blood Oxygenation Level Dependant » 1. Principe En IRMf, on utilise le signal de l’hémoglobine alors que d’habitude, en IRM, on se base sur le signal de l’eau. Mais ici, on va se servir des propriétés magnétiques de l’hémoglobine grâce au fer qu’elle contient (hémoglobine faite d’hème elle-même faite de fer). Ce fer va perturber le signal car il est magnétique. On va plus précisément utiliser la désoxyhémoglobine, car elle est magnétique et qu’elle va pouvoir perturber le signal, mais aussi l’oxyhémoglobine qui captant l’oxygène devient amagnétique et ne peut plus perturber le signal. C’est le gradient entre oxyhémoglobine et désoxyhémoglobine au niveau des capillaires que l’on va mettre en évidence en mesurant l’effet BOLD. Lorsque les neurones s’activent, on change localement le gradient entre oxyhémoglobine et désoxyhémoglobine, entrainant des variations du signal que l’on cherche à capter. Cette variation du signal est très faible et est de l’ordre de quelques pourcents. Il faut donc trouver des méthodes performantes pour capturer ces petites variations. C’est un signal microscopique que l’on mesure de manière macroscopique à l’IRM. De plus, ce gradient est complexe car il dépend de plusieurs paramètres dont le débit sanguin, la concentration en hémoglobine et la consommation d’oxygène. a. Etat basal Les neurones ne sont pas actifs et consomment de l’O2 de manière normale. Dans l’artériole, on va avoir un mélange oxyhémoglobine et désoxyhémoglobine en proportion équivalente. On considère que l’on a un signal normal de repos. b. Etat activé A l’état activé, les neurones consomment plus d’oxygène. Le système vasculaire va donc réagir via une dilatation des vaisseaux et on va avoir une augmentation d’oxyhémoglobine à l’entrée du lit capillaire. Mais, cet afflux est trop important par Figure 3 L'effet BOLD rapport à la demande. Paradoxalement, on se retrouve donc en excès d’oxyhémoglobine. Par rapport à l’état basal, on a plus d’oxyhémoglobine dans tout le système et ce même jusque dans les veinules. Ainsi, la désoxyhémoglobine se retrouve diminuée. L’oxyhémoglobine ne transmet aucun signal et la désoxyhémoglobine diminue le signal mais dans de moindre mesure comparée à l’état basal. Donc, l’effet BOLD augmente le signal d’IRM lorsque les neurones sont actifs du fait de la réaction hémodynamique du système. La mesure est donc compliquée car prend en compte de nombreux paramètres. On a un signal complexe qui est une mesure indirecte et relative de l’activité cérébrale, sans injection de produit de contraste. (caractéristiques principales de cet examen). Le signal de l’IRMf varie de quelques pourcents par rapport au signal habituel de l’IRM. Figure 4 Récapitulatif d'une IRMf Page 3/9 2. En pratique L’idée est de faire pleins d’images pendant que le patient est au repos et d’autres pendant qu’il est actif. On alterne les phases de repos et les phases d’activités grâce à des ordres donnés par le technicien. La finalité va être de faire des moyennes pour différencier ce signal BOLD qui fluctue de manière périodique, tandis que le bruit fluctue de manière aléatoire. En principe : on demande au patient d’ouvrir et de fermer la main durant 20 à 30 secondes, puis de ne plus la bouger durant 20 à 30 secondes. Et ça pendant 5 minutes. Durant ces 5 minutes, nous allons faire des images en continu de son cerveau. D’habitude pour faire une IRM morphologique correcte, c’est-à-dire avec une précision millimétrique, on réalise plusieurs coupes afin d’obtenir une image nette. Il faut une durée de 5 minutes, mais c’est pour un volume cérébral complet. Pour l’IRMf, il faut aller beaucoup plus vite. Ainsi on utilise l’EPI (Echo Planar Imaging) qui est une imagerie ultrarapide pour faire un volume cérébral en une seule seconde. V. EPI - Echo Planar Imaging Comme dit précédemment, l’EPI est un système d’imagerie ultrarapide mais qui nécessite que l’on fasse des compromis car à cette vitesse il n’est pas possible d’avoir une résolution d’un millimètre. On a alors une diminution de la résolution pour qu’elle soit de l’ordre de 2-2.5 millimètres. Le nombre de coupe est également réduit à 40 au lieu de 200 environ. Cette technique va mettre en évidence des artéfacts que sont les inhomogénéités du champ magnétiques. Il y a d’autres sources d’inhomogénéités que celles causées par l’hémoglobine comme les sinus qui sont une interface entre de l’os, des tissus et de l’air, à l’origine là aussi d’artéfacts. Cette nécessité de prise d’images très rapide (technique EPI = 1 ou 2 secondes par image) aboutit à une résolution spatiale catastrophique (contrairement à l’IRM morphologique = 5 minutes par images) avec de nombreux artéfacts. Ce que l’on gagne en temporelle on le perd en résolution spatiale (qualité de l’image). Néanmoins, on va pouvoir mesurer les quelques pourcents de variation dans le signal qui sont dues à l’augmentation de l’effet BOLD. A gauche : IRM classique en T1, avec une bonne résolution spatiale, on peut mettre en évidence le contraste entre les substances grises et blanches ainsi que les structures anatomiques. A droite : EPI, moins bonne résolution spatiale avec de gros pixels, image un peu floue où l’on n’arrive pas à distinguer les structures cérébrales. On n’arrive pas à voir le contraste entre la substance grise et la substance blanche. Il faut donc arriver à sortir l’image fonctionnelle des images que l’on a prise rapidement contenant pleins d’artéfacts Figure 5 Imagerie T1 et EPI 1. Paradigme de l’IRM fonctionnelle La différence entre les bruits (mauvaise résolution) et le signal que l’on cherche à mesurer est très faible, et les activations neuronales sont aléatoires. C’est pourquoi on contrôle la cohérence temporelle des phases d’activation pour obtenir une image nette et précise. On demande donc expressément au sujet de réaliser une activité pour pouvoir faire des acquisitions en continu. On travaille en bloc où les phases de repos et d’activation s’enchainent. Ces phases étant clairement repérable, on peut séparer les différences de signal qui sont petites. Figure 6 Phase de repos et d'activité Exemple : lever le bras pendant 30 sec, puis le baisser pendant 30 sec et répéter la manœuvre sur une période de 5-10 min pour évaluer une seule fonction cérébrale (ici la motricité). Page 4/9 VI. Analyse de l’image Exemple : Une personne écoute une histoire, on cherche à étudier la région de Wernicke. En rouge : les phases ou l’histoire est diffusée, donc les phases d’activitée En vert : les phases de repos. On voit que ça fluctue de manière aléatoire ce qui est normal puisqu’il s’agit du bruit (celui de la machine) (qui ne nous intéresse pas) On voit des alternances entre rouge et vert. Le signal augmente (la courbe va vers la droite) lors des phases d’activation (pendant la diffusion de l’histoire) Dans ce même exemple, si on prend un point dans le cortex occipital qui sert à la vision, il ne va rien se passer. C’est-à-dire que le signal ne va pas augmenter entre les phases rouges et les phases vertes. Il va simplement fluctuer tout le long car le signal étudié au départ était auditif et non visuel. Figure 7 Analyse des données En IRMf on veut mettre en évidence les régions où il y a variation entre vert et rouge, et que cela soit indépendant du bruit. On va utiliser des analyses statistiques : Le test de Student (non fait en pratique car perte d’information = ne contient pas d’information temporelle, donc peu sensible) On va comparer les moyennes des points rouges avec la moyenne des points verts. On obtient deux courbes, et on réalise le test. On peut faire un test de Student pour chaque point du volume cérébral. Ainsi, on obtient une valeur statistique t du test de Student Le problème est le choix du seuil de significativité. Figure 8 Analyse statistique avec le test de Student Par exemple, si p= 5%, c’est que j’accepte de me tromper dans 5% des cas. Or, cela n’est pas possible, si dans le premier point de l’image nous avons 5% de chance de se tromper, dans le second 5%+5% = 10%, dans le troisième 15%... pour une seule coupe. Il va finir par y avoir un problème (Les formules ne sont pas à apprendre, elles sont là pour illustrer le test). On va alors utiliser la régression linéaire : - Construction d’un modèle qui prend en compte le facteur temps On mesure donc l’activité neuronal en fonction du temps. Il faut quand même corriger la multiplicité des tests. Figure 9 Analyse statistique à l'aide d'une régression linéaire Page 5/9 Il y a plusieurs étapes avant d’aboutir au résultat final : - Au début : on acquière des images de mauvaise qualité d’IRMf avec une mauvaise résolution spatiale. Elles sont sensibles aux artéfacts mais aussi aux inhomogénéités des champs magnétique et donc aux variations de concentration en oxyhémoglobine - Etape intermédiaire : de correction de mouvement (le patient bouge) : on recale toutes les images sur la première, en coïncidence les unes avec les autres, à l’aide de rotation, translation. - Puis en clinique : on fait les statistiques (Student ou régression) - Enfin : il y a une fusion avec une IRM morphologique, et donc on peut distinguer l’activité et la tumeur comme cidessous Figure 10 Récapitulatif VII. Prétraitement de l’image 1. Correction du mouvement Le sujet peut bouger pendant l’acquisition et il y a certains mouvements qui sont physiologiques tels que la respiration, les mouvements cardiaques, le LCR… Ce sont autant de sources de bruit. Le bruit : bruit blanc aléatoire, instabilité du système, bruit physiologique, mouvement de têtes è Ces petits mouvements peuvent introduire de grandes variations de signal 2. Mise en coïncidence On recale toutes les images sur la première, en coïncidence les unes avec les autres, à l’aide de rotation, translation. A retenir : -Le signal BOLD correspond au signal de l’hémoglobine -L’IRMf est une mesure indirecte de l’activité cérébrale -Pas d’injection de produit de contraste -Application est les tumeurs cérébrales notamment de bas grade VIII. La réponse hémodynamique Ce que l’on mesure dans une IRMf est la réponse vasculaire du système. Le temps d’activation des neurones est différent du temps d’activation du système vasculaire. Ces deux durées ne se mesurent pas avec la même échelle de temps. Par exemple : je bouge la main et mon cortex moteur s’active directement, c’est de l’ordre de la milliseconde. La réponse hémodynamique du système vasculaire va être de l’ordre de la seconde. Cette réponse n’est pas instantanée. Page 6/9 En abscisse : temps en seconde En ordonnée : effet BOLD Toujours dans l’exemple du mouvement de main, lorsqu’elle bouge, les neurones sont activés mais le signal BOLD ne varie pas immédiatement car il faut du temps pour avoir une réponse du système vasculaire (peut prendre 3 à 4 secondes). On remarque un pic à 6 secondes après l’activité du cerveau. Puis on a un retour à la normale 10 à 15 secondes après l’activité cérébrale. è C’est une contrainte à prendre en compte Figure 11 Mesure de l'effet BOLD en fonction du temps Plus on effectue de stimuli rapprochés dans le temps, plus la réponse hémodynamique sera forte et donc plus le pic sera élevé. De plus, la durée d’observation du phénomène augmente donc on augmente aussi l’intensité du signal. Le test du damier permet une activation complète et efficace du cortex visuelle (visualisation d’un damier avec inversion des case blanche et noir). Ainsi en additionnant les réponses hémodynamiques et en augmentant le nombre de stimuli, on a un effet plus grand et plus facile à mettre en évidence avec les statistiques. 1. Différents paradigmes d’activation Ce sont différents principes afin d’augmenter la réponse hémodynamique et avoir une meilleure mesure : - En blocks de stimuli des zones cérébrales importante : Par exemple, demander d’ouvrir et de fermer plusieurs fois la main à le signal hémodynamique sera plus facile à détecter. C’est ce qu’on utilise principalement en clinique. - Evènementiel : utilisé pour la mémoire, les émotions ou encore l’olfaction. Ce sont des actions dites transitoires qui ne peuvent pas être fait en block o Par exemple : on montre au patient une image effrayante et va être surpris/avoir peur. Mais assez rapidement on se rend compte que cette réaction à l’image puis la peur disparait. C’est l’amygdale qui contrôle nos émotions, et son activité est transitoire. Elle va simplement envoyer un signal de danger durant une seconde, puis elle va retourner à son niveau de base, même si l’image est toujours diffusée. IX. Le dessin expérimental Stratégie utilisée pour mettre en évidence les stimuli et étudier les fonctions plus ou moins compliquées. Lorsque plusieurs activités se superposent, on a recours à une soustraction cognitive En clinique c’est la motricité et le langage qu’on veut mettre en évidence 1. Soustraction cognitive Elle permet d’effacer grâce à un dessin contrôle les activités cérébrales « parasites », c’est à dire qui ne corresponde pas à l’activité recherchée par un dessin expérimental. 2. Exemple de la motricité Nous avons de la somesthésie lorsque nos doigts touchent la paume de notre main. Même pour un geste aussi simple que celui-ci, nous devons planifier notre mouvement. De plus si l’ordre est donné de manière visuelle, nous allons devoir regarder, lire l’ordre et le comprendre ce qui correspond à d’autres informations que celle étudiée au départ. Page 7/9 Ainsi, on a une activation du cortex moteur, du cortex pré-moteur qui sert à planifier le mouvement, de la somesthésie et du cortex occipital pour la vision. On voit qu’avec ce mouvement nous n’avons pas uniquement une activité motrice pure. Ainsi pour isoler l’activité recherchée, on a recours à une soustraction cognitive 3. Exemple du langage Nous allons devoir activer l’aire de Broca pour la production du langage et l’aire de Wernicke pour la compréhension. Ainsi on va demander au patient de dire si 2 mots rimes ou non (chemin et moulin rimes, hamac et tabac non, cela est plus difficile car ils s’écrivent pareil mais ne rimes pas). On a plusieurs fonctions cognitives qui sont mises en jeu dans le cerveau, telles que : - Le cortex occipital pour la vision (lire le mot) - Le cortex fronto-pariétal pour l’attention - La motricité (bouger la main) - Le sillon de Rolando pour le langage (répondre à la question) = zone d’intérêt Le langage a le plus faible signal, il est donc important de l’isoler pour pouvoir l’étudier. On utilise la soustraction cognitive par l’utilisation d’un dessin contrôle, c’est à dire un dessin qui ressemble fortement au dessin expérimental si ce n’est qu’il n’active pas la zone d’intérêt (ici le langage) Par exemple : Dans la phase d’activité nous allons faire lire les mots moulin et chemin. Le patient va devoir lire le mot, réfléchir, parler, et bouger la main… Ainsi, toutes les zones s’allument. Dans la phase de repos, nous allons lui montrer des symboles, donc la zone de la vision s’active. Aussi, nous allons lui demander de bouger la main lorsqu’il y a 2 symboles identiques, mettant en jeu l’attention et la motricité. Il y a alors 3 zones sur 4 qui vont s’allumer (toutes les zones sauf celle du langage) Ainsi, nous allons soustraire statistiquement les 2 images, celles prises pendant la phase d’activité (lorsqu’il parle) et celle prise pendant la phase de repos. Donc : Langage + vision + attention + motricité – vision- attention – motricité = langage. Nous avons donc isolé la zone d’intérêt que l’on cherche à étudier, grâce à la soustraction cognitive. Le dessin factoriel est utilisé pour la recherche, basé sur la reconnaissance de l’objet durant sa dénomination. (On va montrer un bus et le nommé, et ensuite nommé la couleur) on va donc avoir un continue visuel et une attention. Ensuite nous allons faire la même chose sans nommer l’objet et on va le reconnaitre pour voir les changements dans le cortex : Page 8/9 Cochez-la(les) bonne(s) réponses(s) : Question 1 : A- Une IRMf permet de mesurer la réponse vasculaire du système B- L’IRMf est une mesure directe de l’activité cérébral C- On utilise le test statistique de Broca pour l’analyse de l’image D- La régression linéaire permet de mesurer l’activité neuronal en fonction du temps. E- Le dessin factoriel est utilisé pour la recherche basé sur la reconnaissance de l’objet durant sa dénomination. Question 2 : A propos de l’effet BLOD « Blood Oxygenation Level Dependant »: A- A l’état basal, les neurones consomment de l’énergie, de l’O2 B- L’effet BOLD augmente le signal d’IRM lorsque les neurones sont actifs. C- C’est le gradient entre oxyhémoglobine et désoxyhémoglobine au niveau des capillaires que l’on va mettre en évidence en mesurant l’effet BOLD D- Il dépend de plusieurs paramètres: le débit sanguin, la concentration en hémoglobine et la consommation d’oxygène. E- Sa mesure est directe et relative de l’activité cérébrale, sans injection de produit de contraste Question 3 : A. L’IRMf mesure de façon indirecte l’activité du cerveau. B. Pour l’IRMf, on utilise le signal de l’eau. C. L’effet BOLD diminue le signal d’IRM lorsque les neurones sont actifs. D. L’IRMf ne nécessite aucune injection de produit de contraste, c’est un examen non invasif. E. A l’état activé, on va avoir une dilatation des vaisseaux, et donc une augmentation d’oxyhémoglobine à F. l’entrée du lit capillaire. Question 4 : A. Les petits mouvements du sujet pendant l’acquisition n’ont pas d’influence sur le signal. B. L’EPI (Echo Planar Imaging) est une imagerie ultra rapide pour faire un volume du cérébral. C. Pour l’EPI on a une diminution de la résolution et du nombre de coupe. D. Pour l’analyse d’image on utilise le test statistique de Student. E. La soustraction cognitive permet d’effacer les activités cérébrales parasites. Correction : Question 1 : ADE A- Vrai B- Faux, L’IRMf est une mesure indirecte de l’activité cérébral C- Faux, On utilise le test statistique de Student pour l’analyse de l’image D- Vrai E- Vrai Question 2: BCD ABCDE- FAUX : A l’état basal, les neurones ne consomment pas de l’énergie, de l’O2 et sont inactifs VRAI VRAI VRAI FAUX : Sa mesure est indirecte et relative de l’activité cérébrale, sans injection de produit de contraste Question 3 : ADE A. B. C. D. E. Vrai Faux, on utilise le signal de l’hémoglobine. Faux, L’effet BOLD augmente le signal d’IRM lorsque les neurones sont actifs. Vrai Vrai Page 9/9 Question 4: BCDE A. B. C. D. E. FAUX : Les petits mouvement peuvent introduire des grandes variations de signal. VRAI VRAI VRAI VRAI Page 10/9