Cours 4 : IRMf et cartes d'activation Flashcards
L’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle
C’est une modalité d’imagerie qui permet de mesurer indirectement l’activité cérébrale. L’IRMf acquiert des images du cerveau en action en relation avec différentes conditions expérimentales, ayant été conçues pour isoler des processus cognitifs spécifiques. L’IRMf permet donc de cartographier l’organisation fonctionnelle du cerveau, dans différents contextes cognitifs.
Objet d’étude: IRM structurelle vs IRMf (T2*)
-IRM structurelle: Anatomie, structures et propriétés des tissus
-IRMf: Organisation fonctionnelle
Dimension: IRM structurelle vs IRMf
- IRM structurelle: 1 volume - 3D
- IRMf: Plusieurs volumes dans le temps - 4D (3D +t)
Durée de l’acquisition: IRM structurelle vs IRMf
- IRM structurelle: Plusieurs minutes
-IRMf: Secondes
Analogie entre les images d’IRMf et un film
Elles sont composées d’une série de volumes 3D qui se succèdent à une fréquence donnée, plutôt que d’un unique volume comme c’était le cas en IRM. Nous parlons alors d’images 4D, ou bien 3D+t puisqu’aux dimensions spatiales (x, y, z) s’ajoute la dimension du temps t. Nous pourrions, par exemple, acquérir 1 volume cérébral toutes les 2 secondes, pendant 6 minutes, ce qui résulterait en un jeu de données d’IRMf composé de 180 volumes 3D du cerveau.
Illustration d’un élément de volume (voxel), de taille 3 mm x 3 mm x 3 mm, et le décours temporel IRMf associé
Vrai ou faux: Le volume du cerveau (3D) est formé plusieurs milliers voxels, qui sont de petites unités de volumes (3D) ayant une coordonnée dans l’espace x, y, z.
Vrai
En IRMf, pour chaque voxel du cerveau, nous détenons plusieurs points de mesure de l’activité dans le temps, ce qui forme ce que l’on appelle ……..
une série temporelle ou décours temporel.
Quelques dizaines à centaines de points de mesures décrivent la série temporelle.
TR
Ces points de mesures sont séparés par un intervalle de temps, qui peut varier de millisecondes à secondes.
Ces caractéristiques représentent un bon compromis entre ……. et ……… . Comme nous le verrons plus loin, ………. reflète de manière indirecte les changements d’activité neuronale dans le temps.
résolution spatiale, résolution temporelle, la série temporelle
Vrai ou faux. Une grande partie du travail en IRM fonctionnelle consiste à analyser ces séries temporelles.
Vrai
Attention sur le paramètre TR en IRM vs TR en IRMf
Le paramètre TR en IRM fait référence au temps entre deux excitations radio-fréquences, qui est très court. En IRMf, le paramètre TR est la durée d’acquisition d’un volume entier, qui comprend de nombreuses excitations radio-fréquences.
Compromis entre résolution spatiale et temporelle en IRMf
Lorsque l’on choisit une séquence d’IRMf, on est souvent amené à privilégier la résolution temporelle versus spatiale.
On peut par exemple faire des images du cerveau entier en 700 ms avec une résolution spatiale de 3 x 3 x 3 mm3
, ou bien acquérir la même image avec une résolution spatiale de 2 x 2 x 2 mm3
, mais cette fois-ci en 1500 ms.
-> Il n’y a pas un choix de paramètre meilleur qu’un autre, mais la chercheuse doit décider si la résolution spatiale ou temporelle est plus importante pour ses questions de recherche.
Couplage neurovasculaire: Résumé de l’architecture neuro-gliale-vasculaire. (a), (b)
(a) Les astrocytes s’enveloppent autour des synapses, et ont des projections jusqu’à la surface des micro-capillaires.
(b) Les astrocytes établissent des domaines anatomiques exclusifs, qui chevauchent de manière minimale ceux de leurs voisins astrocytes.
Couplage neurovasculaire: Résumé de l’architecture neuro-gliale-vasculaire. (c), (d)
(c) Schéma représentant la morphologie d’une cellule gliale, avec un corps connecté à une structure en arbre.
(d) Micro-circuit neuronal.
Couplage neurovasculaire: Résumé de l’architecture neuro-gliale-vasculaire. (e), (f), (g)
(e) microvascularisation cérébrale.
(f) illustration de la taille des micro-circuits neuronaux et de la vascularisation. (
(g) pourcentage d’occupation du volume dans l’espace du circuit.
Le lien entre activité neuronale et signal IRMf repose sur …………., et plus spécifiquement ……… et
1) Le phénomène du couplage neurovasculaire;
2) le couplage entre l’activité post-synaptique des neurones;
3) les micro-capillaires sanguins.
La production de neurotransmetteurs dans la fente synaptique entrainent une série de réactions chimiques dans les cellules gliales avoisinantes. Lorsque l’activité neuronale augmente, les réactions chimiques qui l’accompagnent entraînent ………………. en nutriments et ultimement l’extraction d’oxygène dans ………de manière locale.
- Une demande métabolique
- Les micro-capillaires
La production de neurotransmetteurs dans la fente synaptique entrainent une série de réactions chimiques dans les cellules gliales avoisinantes. Lorsque l’activité neuronale augmente, les réactions chimiques qui l’accompagnent entraînent une demande métabolique en nutriments et ultimement l’extraction d’oxygène dans les micro-capillaires de manière locale. Les événements suivants se produisent alors: (3)
1) augmentation du volume des capillaires;
2) augmentation du flux sanguin;
3) augmentation l’acheminement en oxygène (oxyhémoglobine) vers les populations de neurones activés.
L’augmentation d’extraction d’oxygène entraîne donc de manière paradoxale
Une augmentation locale de la concentration d’oxyhémoglobine (sang oxygéné) par rapport à la concentration en désoxyhémoglobine (sang désoxygéné) localement, ce qui est détectable au moyen de l’IRMf.
-> Le premier modèle quantitatif du couplage neurovasculaire (dit “modèle du ballon”) a été proposé par Buxton et coll. (1998)
Quelle est l’origine du signal BOLD?
L’hémoglobine existe sous deux états, soit l’état oxygéné (porteur de l’oxygène) et désoxygéné (non-porteur d’oxygène).
La présence de l’oxygène modifie les propriétés électromagnétiques de cette molécule:
-> L’oxyhémoglobine est diamagnétique
-> La désoxyhémoglobine est paramagnétique
- L’oxyhémoglobine est diamagnétique
- La désoxyhémoglobine est paramagnétique
Quand elles sont soumises à des impulsions électromagnétiques, ces deux molécules se comportent de manière très différente.
-> La désoxyhémoglobine va créer des inhomogénéités du champ magnétique, alors que -> l’oxyhémoglobine n’a pas d’effet sur ce même champ.
Les séquences IRM pondérées T2* sont très sensibles à de telles inhomogénéités. La désoxyhémoglobine déforme donc le champ magnétique B0
induit par l’aimant, ce qui fait en sorte que le temps de relaxation T2*
est plus rapide.
Quel est l’effet que les images acquises en IRMf utilisent donc un contraste en T2* ?
Cela a pour effet d’amplifier le signal quand le sang devient plus oxygéné en réponse à une augmentation de l’activité neuronale . Pour cette raison, le signal utilisé en IRMf est appelé signal BOLD, pour Blood oxygenation level-dependent, soit signal dépendant de l’oxygénation du sang.
Propriétés électromagnétiques: Désoxyhémoglobine vs Oxyhémoglobine
Désoxyhémoglobine-> Paramagnétique
Oxyhémoglobine-> Diamagnétique
Impact sur le signal BOLD: Désoxyhémoglobine vs Oxyhémoglobine
Désoxyhémoglobine-> Réduit le signal BOLD
Oxyhémoglobine-> Augmente le signal BOLD
T2*: Désoxyhémoglobine vs Oxyhémoglobine
Désoxyhémoglobine-> Décroît plus rapidement
Oxyhémoglobine-> Décroît plus lentement
T2* en rouge!!!
Lorsqu’une molécule comme la désoxyhémoglobine est présente, les spins se déphasent plus rapidement. Il est possible de modifier la séquence d’IRM pour éliminer ce phénomène, et c’est ce que l’on fait pour obtenir une image pondérée en T2
traditionnelle. Si l’on ne modifie pas la séquence, le paramètre de décroissance apparait plus court, et c’est ce que l’on appelle le T2*
Fonction de réponse hémodynamique
Réponse à une impulsion courte
Réponse hémodynamique à une impulsion unitaire d’une durée de seconde, suivant le modèle proposé par Glover and coll. (1999)
La figure qui suit montre la réponse hémodynamique attendue suite à une impulsion finie d’activation au temps 0, et de durée de 1 seconde. La réponse à ce type de stimulus permet de visualiser la réponse hémodynamique la plus largement utilisée, décrivant la relation maintenue entre l’activité neuronale (bleu) et le signal BOLD (rouge), en fonction du temps. L’axe x représente le temps, en secondes, et l’axe y le signal cérébral, exprimé en pourcentage du changement par rapport à une ligne de base.
Un système prend un décours temporel d’entrée et lui associe un décours temporel de sortie
Un système est dit additif:
Si la réponse à plusieurs impulsions correspond à la somme des réponses à ces impulsions prises indépendamment. Ce comportement est illustré ci-dessous.
Illustration du processus de recalage d’un IRM T1 sur un espace stéréotaxique (ici chez le macaque). On démarre par une transformation affine (pour corriger la position de la tête et sa taille), puis non-linéaire (pour ajuster la position des sillons et des structures sous corticales).
Illustration de l’impact du lissage sur un volume BOLD. À mesure que le paramètre FWHM augmente, la mesure en un voxel représente la moyenne dans un voisinage spatial de plus en plus grand.
On extrait les séries temporelles associées à l’atlas Harvard-Oxford avant (à gauche) et après (à droite) régression des dérives lentes.
Illustration d’un paradigme auditif en blocs. En bleu: périodes de stimulations audio. En rouge: réponse cérébrale prédite avec le modèle de réponse linéaire invariante dans le temps, et une réponse unitaire suivant le modèle de Glover et al. (1999) [Glo99].
Carte d’activation pour un paradigme en blocs auditifs. Les trois principaux pics d’activation ont été identifiés, et le signal est présenté pour chaque pic, superposé avec l’activité prédite par le modèle basé sur les stimuli auditifs. Notez comme la forme de la réponse est identique pour les trois voxels sélectionnés, mais que l’amplitude du modèle varie (elle est estimée par la régression).
