Cours 5 : IRMf et connectivité

Question 1

Ségrégation fonctionnelle

Answer 1

À quel point certaines régions cérébrales sont engagées spécifiquement par une certaine catégorie de processus cognitifs

Question 2

Intégration fonctionnelle

Answer 2

Différentes régions du cerveau interagissent ensemble pour effectuer une tâche

Question 3

Graphe de connectivité fonctionnelle moyen sur le jeu de données Chaque nœud du graphe représente quoi?

Answer 3

Chaque noeud représente une région du cerveau

Question 4

Graphe de connectivité fonctionnelle moyen sur le jeu de données les connexions représentent quoi?

Answer 4

Les connexions représentent la connectivité fonctionnelle moyenne

Question 5

Graphe de connectivité fonctionnelle moyen sur le jeu de données L’échelle de couleur et la taille des noeuds représentent quoi?

Answer 5

L’échelle de couleur et la taille des noeuds représentent le nombre de connexions (degré) associé à chaque noeud.

Question 6

La connectivité fonctionnelle

Answer 6

Un terme relativement générique utilisé pour décrire une mesure des dépendances spatiales de l’activité cérébrale

Question 7

La technique la plus simple pour mener une analyse de connectivité fonctionnelle est de …(1)…. et de …(2)…..

Answer 7

(1) d’extraire les décours temporels de deux régions

(2) d’en déterminer la corrélation r

Question 8

r proche de 1, 0, -1?

Answer 8

élevée (r proche de 1): les deux régions sont impliquées dans des processus cognitifs similaires,

faible (r proche de zéro): les processus cognitifs sont indépendants,

négatif (r proche de -1): les processus cognitifs sont mutuellement exclusifs.

Question 9

Décris ce graphique sur la connectivité fonctionnelle entre régions cérébrales

Answer 9

Connectivité fonctionnelle entre régions cérébrales. Pour chaque région (à gauche), on extrait l’activité moyenne. Pour chaque paire de régions, la connectivité est mesurée par la corrélation r entre les séries temporelles associées (à droite). Les couleurs des régions et des séries temporelles se correspondent.

Question 10

Answer 10

Les régions M1 droit et M1 gauche ont une forte connectivité fonctionnelle entre elles, et une connectivité fonctionnelle modérée avec la région cingulaire postérieur.

Question 11

Mesure de corrélation

Answer 11

La corrélation entre deux séries temporelles est une mesure qui varie entre -1 et 1 (dans les travaux scientifique c’est généralement entre -0.3 et 0.8). Si les deux séries sont identiques (à leur moyenne et variance près), la corrélation est de 1. Si les deux séries sont statistiquement indépendantes, la corrélation est proche de zéro. Si les deux séries sont miroirs l’une de l’autre, la corrélation est de -1.

Question 12

Carte de connectivité fonctionnelle au repos

Answer 12

Cartes de connectivité au repos générées à partir des données IRMf d’un individu du jeu de données (bas, droit). La région cible utilisée est dans le cortex sensorimoteur droit (haut, gauche) identifie le réseau sensorimoteur. Les cinq premières minutes d’activité BOLD associée à la région cible sont représentées (haut, droit).

Question 13

Le concept de carte fonctionnelle au repos (Biswal et al.1995)

Answer 13

Au lieu de regarder la connectivité fonctionnelle entre deux régions, on va comparer l’activité d’une région cible avec l’ensemble des voxels dans le cerveau. Dans cette étude, ils ont utilisé une région dans le cortex sensorimoteur primaire droit. Cette région cible avait été obtenue avec une carte d’activation et une tâche motrice.

Ils ont alors eu l’idée d’observer les fluctuations BOLD dans une condition de repos, en l’absence de tâche expérimentale. Cette carte révèle un ensemble distribué de régions (cible M1 droit), qui comprend le cortex sensorimoteur gauche, mais aussi l’aire motrice supplémentaire, le cortex prémoteur et d’autres régions du cerveau connues pour leur implication dans le réseau moteur. Cette étude a tout d’abord engendré beaucoup de septicisme, au motif que ces patrons d’activité fonctionnelle corrélée auraient pu refléter du bruit cardiaque ou respiratoire.

Question 14

Dans la carte e connectivité fonctionnelle, on va comparer l’activité d’une région cible avec l’ensemble des voxels dans le cerveau.

Answer 14

Vrai. c’est en effet la définition de la carte de connectivité fonctionnelle

Question 15

Fluctuations lentes

Answer 15

C’est que le signal BOLD au repos est dominé par des fluctuations lentes, avec des bouffées d’activité d’une durée de 20 à 30 secondes. Plus spécifiquement, le spectre du signal BOLD au repos est dominé par les fréquences inférieures à 0.08 Hz, et même 0.03-0.05 Hz.

Question 16

Activité au repos BOLD et électrophysiologie (Shumel et al.2008)

Answer 16

Le travail de Shmuel et collèges (2008) a démontré que l’activité BOLD au repos corrèle aux fluctuations spontanées d’activité neuronales dans le cortex visuel d’un macaque anesthésié, ce qui démontre que la connectivité fonctionnelle reflète au moins partiellement la synchronie de l’activité neuronale, et pas simplement du bruit physiologique (cardiaque, respiration).

Question 17

Réseau du mode par défaut (décrire le graphique)

Answer 17

Cartes de connectivité au repos générées à partir des données IRMf (bas, droit). La région cible utilisée est dans le cortex cingulaire postérieur (haut, gauche) identifie le réseau du mode par défaut. Les cinq premières minutes d’activité BOLD associée à la région cible sont représentées (haut, droit)

Question 18

Réseau du mode par défaut

Answer 18

La crédibilité des cartes de connectivité au repos s’est renforcée quand différents groupes de recherche ont pu identifier d’autres réseaux en utilisant des régions cibles différentes, notamment le réseau visuel et le réseau auditif. Mais c’est l’étude de Greicius et collaborateurs, en 2003 , qui a déclenché un énorme intérêt pour les cartes de connectivité au repos en utilisant une région cible dans le cortex cingulaire postérieur (PCC) pour identifier un réseau fonctionnel qui n’avait pas encore été identifié: le réseau du mode par défaut (cible PCC).

Question 19

ATTENTION! Variabilité intra- et inter-individuelle

Answer 19

La figure du réseau mode par défaut peut donner l’impression que les réseaux de connectivité sont extrêmement stables. En réalité, les cartes de connectivité varient beaucoup au cours du temps, c’est-à-dire en regardant différentes fenêtres d’activité pour un même individu, et également entre individus. Effectivement, les coordonnées d’une région cible peuvent être partiellement inexactes même si on procède au recalage des images. Caractériser la variabilité intra- et inter-individuelle des cartes de connectivité est un domaine de recherche actif.

Question 20

Vrai ou faux. En réalité, les cartes de connectivité restent stable au cours du temps

Answer 20

Faux. En réalité, les cartes de connectivité varient beaucoup au cours du temps, c’est-à-dire en regardant différentes fenêtres d’activité pour un même individu, et également entre individus.

Question 21

Déactivations: Carte d’activation individuelle dans un paradigme auditif.

Answer 21

Carte d’activation individuelle dans un paradigme auditif. Le seuil de significativité est sélectionné de manière libérale (|z|>2). Une déactivation modérée est identifiée dans différentes régions du cerveau, incluant le cortex cingulaire postérieur (PCC) et le cortex préfrontal médian (mPFC). Le PCC et le mPFC sont des régions clés du réseau du mode par défaut.

Question 22

Comment on a découvert le réseau du mode par défaut?

Answer 22

Au travers d’études par activation. Ils combinent 9 études PET qui utilisent la même condition de contrôle de “repos” (consistant à regarder des stimuli visuels de manière passive). Les auteurs démontrent qu’un ensemble de régions sont systématiquement plus impliquées au repos que durant des des tâches variées mais cognitivement demandantes. Ces régions impliquent notamment notamment le cortex cingulaire postérieur (PCC). L’ “hypothèse du mode par défaut” stipule qu’il existe un certain nombre de processus cognitifs d’introspection qui seraient systématiquement présents dans un état de repos, et il existerait un réseau fonctionnel qui soutiendrait cette activité “par défaut”. Les cartes de connectivité au repos en IRMf avec une région cible dans le PCC identifient également le réseau du mode par défaut.

Question 23

DAN

Answer 23

Le réseau attentionnel dorsal

Question 24

DAN et corrélations négatives: Une région cible est sélectionnée au niveau “frontal eye field” (FEF)

Answer 24

Une région cible est sélectionnée au niveau “frontal eye field” (FEF), pour générer une carte de connectivité. Le seuil de significativité est sélectionné de manière libérale (|r|>0.2). En plus du réseau attentional dorsal associé au FEF, la carte de connectivité met en évidence une corrélation négative avec le PCC et le cortex cingulaire antérieur (ACC). L’ACC et le PCC sont des régions clés du réseau du mode par défaut.

Question 25

Vrai ou faux. Le réseau du mode par défaut n’est pas le seul que l’on puisse identifier au repos.

Answer 25

Vrai. On a déjà vu le réseau sensorimoteur qui a été le premier identifié par Biswal.

Question 26

DAN et corrélations négatives

Answer 26

Le réseau couramment examiné dans la littérature est le réseau attentionnel dorsal (DAN), qui comprend notamment les sillons intra-pariétaux supérieurs et les champs oculaires frontaux. Le DAN est souvent identifié comme activé dans les expériences utilisant une tâche cognitivement demandante en IRMf, et est parfois appelé le “task positive network” - même s’il n’est pas positivement engagé par toutes les tâches. En 2005, Fox et collègues remarquent une corrélation négative entre le DAN et le réseau du mode par défaut. Cette analyse renforce la notion de transitions spontanées entre un état mental dirigé vers les stimuli extérieurs, et un état introspectif, reflétant la compétition entre deux réseaux distribués.

Question 27

Vrai ou faux. L’analyse de DAN et corrélations négatives renforce la notion de transitions spontanées entre un état mental dirigé vers les stimuli extérieurs, et un état introspectif.

Answer 27

Vrai. L’analyse de DAN et corrélations négatives renforce la notion de transitions spontanées entre un état mental dirigé vers les stimuli extérieurs, et un état introspectif, reflétant la compétition entre deux réseaux distribués.

Question 28

ATTENTION! Controverses sur la régression du signal global

Answer 28

Les corrélations négatives sont fortes uniquement quand on applique certaines étapes de débruitage des données, et notamment la régression du signal global. Une controverse importante est née autour des connexions négatives, car certains chercheurs pensent qu’il s’agit d’un artefact lié à cette étape de prétraitement. Malgré tout, les corrélations négatives peuvent être observées de manière robuste pour les sujets qui bougent très peu, et dont le signal est donc particulièrement propre. Leur amplitude est cependant faible en l’absence de régression du signal global.

Question 29

Activité intrinsèque vs extrinsèque

Answer 29

Les réseaux au repos peuvent être observés même en présence d’une tâche. Plutôt qu’opposer la notion de repos et de tâche, il est courant de parler d’activité intrinsèque et extrinsèque.

-> L’activité extrinsèque est l’activité évoquée par une tâche, et reflète la manière dont l’environnement influence l’activité cérébrale.

->L’activité intrinsèque désigne l’activité cérébrale qui émerge spontanément, et est indépendante des stimuli extérieurs.

Les deux types d’activité sont toujours présentes, et peuvent interagir l’une avec l’autre.

Question 30

Connectomes et réseaux: Une parcellisation fonctionnelle du cerveau avec 122 parcelles est présentée à gauche (BASC).

Answer 30

Une parcellisation fonctionnelle du cerveau avec 122 parcelles est présentée à gauche (BASC). Au centre, on voit une matrice où chaque élément représente la corrélation entre l’activité de deux parcelles. Les parcelles ont été ordonnées de manière à mettre en évidence des carrés diagonaux: ce sont des groupes de régions dont l’activité corrèlent fortement entre elles, et peu avec le reste du cerveau. Des algorithmes de type clustering permettent de détecter automatiquement ces groupes de parcelles, appelés réseaux fonctionnels. Un exemple de réseaux fonctionnels générés avec un clustering hiérarchique est présenté à droite, qui identifie notamment le réseau du mode par défaut.

Question 31

Le réseau fonctionnel

Answer 31

Lorsqu’on utilise une carte de connectivité, le réseau fonctionnel est l’ensemble des régions qui apparaissent dans la carte, et qui sont donc connectées à notre région cible. Mais cette approche dépend de la région cible. Pourtant, il est intuitif que toutes les cartes de connectivité utilisant des cibles dans, par exemple, le mode par défaut vont se ressembler. Pour formaliser cette intuition, nous avons besoin d’introduire de regarder la connectivité de toutes les paires de régions en même temps, une notion appelée connectome fonctionnel. En utilisant des techniques d’apprentissage nonsupervisé, de type clustering, il est possible d’identifier des groupes de régions cérébrales qui sont fortement connectées les unes aux autres, et peu connectées au reste du cerveau.

Question 32

Un connectome fonctionnel

Answer 32

C’est une matrice qui représente toutes les connexions (fonctionnelles) du cerveau. Chaque ligne et chaque colonne représente une région du cerveau. Les valeurs r que l’on retrouve dans la matrice correspondent à la corrélation de l’activité temporelle des régions.

Question 33

Comment générer un connectome fonctionnel?

Answer 33

Pour générer un connectome, on commence donc par sélectionner une parcellisation cérébrale en régions, puis l’on calcule la corrélation de l’activité temporelle pour toutes les paires de parcelles dans le cerveau.

Question 34

Atlas de réseaux: Atlas de Yeo-Krienen construit par une analyse de clustering à partir de données IRMf au repos d’un grand nombre de sujets

Answer 34

Atlas de Yeo-Krienen construit par une analyse de clustering à partir de données IRMf au repos d’un grand nombre de sujets. Les réseaux sont définis à plusieurs résolutions dans cet atlas (7 et 17). Ici, le découpage en 7 grands réseaux distribués est présenté.

Question 35

Atlas deréseaux de Yeo Krienen

Answer 35

C’est un atlas standards des réseaux au repos, qui ont été générés sur un grand nombre de sujets. L’atlas de Yeo, Krienen et collègues est très utilisé, et identifient sept grands réseaux. Certains de ces réseaux ont déjà été discutés dans ce chapitre: mode par défaut, attentionnel dorsal, sensorimoteur. Il faut ajouter deux autres réseaux associatifs: le frontopariétal et l’attentionnel ventral. Il y a également un réseau visuel, et un réseau mésolimbique impliquant le pôle temporal et le cortex orbitofrontal. Notez que cet atlas ignore toutes les structures sous-corticales.

Notez qu’il n’y a pas un nombre exact de réseaux cérébraux, mais plutôt une hiérarchie de réseaux plus ou moins spécialisés.*

Question 36

Nombre de réseaux au repos

Answer 36

De nombreux articles ont étudié un découpage en 7 réseaux corticaux. Mais l’étude de Yeo, Krienen a également proposé un découpage en 17 sous-réseaux, et depuis plusieurs atlas ont été proposés avec des centaines de régions. Vous pouvez utiliser cet outil interactif pour explorer l’organisation multi-échelle des réseaux fonctionnels de manière interactive, à l’aide de l’atlas MIST.

Question 37

La connectivité fonctionnelle consiste à mesurer……

Answer 37

la cohérence (corrélation) entre l’activité de deux régions (ou voxels) du cerveau.

Question 38

Une carte de connectivité fonctionnelle permet d’étudier……

Answer 38

la connectivité entre une région cible et le reste du cerveau.

Question 39

Un réseau fonctionnel est un groupe de régions ……

Answer 39

dont l’activité spontanée présente une forte connectivité fonctionnelle intra-réseau, et une faible connectivité avec le reste du cerveau. Différents atlas des réseaux au repos existent, et à différentes échelles.