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Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Introduction à lImagerie Cérébrale Fonctionnelle : Line Garnero Laboratoire de Neurosciences.

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1 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Introduction à lImagerie Cérébrale Fonctionnelle : Line Garnero Laboratoire de Neurosciences Cognitives & Imagerie Cérébrale CNRS UPR640 Centre de Magnétoencéphalographie Philippe Ciuciu UNAF/ CEA SHFJ Orsay

2 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Imagerie Cérébrale Fonctionnelle Principes physiologiques Les différentes techniques - principes physiques - analyse des données Applications - Neurologie - Sciences Cognitives Sommaire

3 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Imagerie Cérébrale Fonctionnelle Etude du cerveau en action Répondre aux questions Où et Quand ? Domaine de Recherche entre Sciences de la Vie et Physique, Mathématiques et Informatique Applications : recherche en Sciences Cognitives : recherche clinique (neurologie)

4 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Les différentes méthodes Méthodes invasives - imagerie optique (chez lanimal) - électrodes intracérébrales (animal et patients) Méthodes non invasives - imagerie métabolique et hémodynamique (TEP et IRMf) - imagerie électrique et magnétique (MEG et EEG) - étude de déficits en corrélation avec des lésions Neuropsychologie

5 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Propriétés de diverses techniques dinvestigation cérébrale millisecondesecondeminuteheurejour non-invasifinvasif cerveau aire colonne couche neurone dendrite synapse Log Temps (sec) Log Résolution (mm) MEG+PE IRM TEPlésions imagerie optique microscopie potentiels de champs locaux microlésions 2-déoxyglucose

6 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Historique 1850 : Etude des lésions (Aire de Broca) 1929 : Premier EEG (Hans Berger) 1968 : Premières mesures en MEG 1972 : Tomographie par Emission de Positons TEP 1980 – 89 : Essor de la TEP 1990 : Apparition de lIRM fonctionnelle : Commercialisation de systèmes MEG

7 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Bases physiologiques de l I. C. F. Métabolisme Synthèse dATP consommation de Glucose et O2 EEG - MEG PPSE - PPSI Intracellulaire ou extracellulaire Hémodynamique Déoxygénation Augmentation Du Débit Sanguin TEP IRMf Neuronal Potentiel daction Daprès B. Mazoyer

8 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Electroencéphalographie (EEG) et Magnétoencéphalographie (MEG) EEG : mesure du Potentiel électrique. Ordre de grandeur : quelques microvolts Capteurs : électrodes Appareillage très répandu Mesurent l activité électrique neuronale Imagerie non invasive Résolution temporelle ~1ms MEG : mesure du champ magnétique. Ordre de grandeur : tesla Capteurs : SQUID couplés à des bobines Appareillage très coûteux

9 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS ORIGINE DU SIGNAL MEG et EEG

10 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Dipôle de courant microscopique Q = I x d = 20 fAm Durée 10ms I Potentiel Postsynaptique Potentiel d action 2 courants opposés : front de polarisation + dépolarisation Durée 1ms Quadrupôle : Décroissance en 1/r 3 POTENTIELS NEURONAUX

11 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS POTENTIEL POST SYNAPTIQUE Action d un neurotransmetteur : Permeabilité : courant Na+ entrant Permeabilité : courant K+ sortant : longueur de décroissance du courant = 0.1 mm r s : résistance intracellulaire = V : ddp le long de la dendrite = 25 mV V Dipôle de courant Q Q= I V / r s = 20 fAm Durée temporelle : 10 ms

12 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS COURANTS MACROSCOPIQUES Sommation des activités simultanées d un grand nombre de neurones Noyaux Cortex Cellules pyramidales Boucles fermées Pas de courant macroscopique Boucles ouvertes courant macroscopique

13 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Dipôle de courant Macrocolonne corticale 10 5 à 10 6 neurones Q =I x d ~10 à 100 nAm I Courants macroscopiques Dipôle radial (gyrus ) Dipôle tangentiel (sillon) Dipôles sur la surface corticale

14 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Courants secondaires ou de conduction

15 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS CHAMP ELECTRIQUECHAMP MAGNETIQUE CHAMPS RESULTANTS

16 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES MEG EEG Potentiel < 0 Potentiel > 0 Champ>0Champ< 0

17 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS QUELQUES NOTIONS DINSTRUMENTATION

18 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION EEG 1er EEG : Hans Berger sur patient trépané Système Système 64 à 128 électrodes casque d électrodes

19 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG Ordre de grandeur des champs magnétiques cérébraux

20 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG 1er MEG : Cohen -MIT avec de nombreux bobinages 1972 : apparition des squids Capteur magnétique Supraconducteur 4°K (refroidi à l hélium liquide) 1990 : Système casque intégral, ~150 capteurs Enregistrement MEG + EEG simultané 1980 : Systèmes 7 à 37 capteurs couverture partielle de la tête

21 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG Principe de la mesure en MEG Détection : bobines réceptrices de flux + transformateurs de flux : squids SQUIDS : dispositif supra Basse T (refroidi à l hélium liquide)

22 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG - Correction Chambre blindée : parois de mu-métal Gradient d ordre supérieur avec capteurs de référence

23 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG - Le Système

24 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS LES SIGNAUX MEG et EEG

25 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS LES REPONSES DE LA MEG ET DE L EEG Données spatiotemporelles MEGEEG

26 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS REPONSE SIMULTANEE MEG ET EEG MEG EEG Réponse auditive 100 millisecondes après l arrivée du son

27 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES MEG EEG Potentiel < 0 Potentiel > 0 Champ>0Champ< 0

28 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS LES DIFFERENCES DE PROPAGATION MEG EEG Cortex Face externe de l os

29 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS DIFFERENCES ENTRE MEG ET EEG : RECAPITULATIF MEG EEG Mesure le champ magnétique Réponse dipolaire perpendiculaire à la direction du dipôle Réponse focale Peu affecté par tissus cérébraux Sélectif pour sources tangentielles Peu sensible aux sources profondes Appareillage coûteux Mesure le potentiel électrique Réponse dipolaire parallèle à la direction du dipôle Réponse diffuse Très affecté par les tissus sensible à toutes orientations sensible aux sources profondes Appareillage moins cher

30 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS ANALYSE DES SIGNAUX

31 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS ANALYSE DES SIGNAUX : Activité spontanée Les différents rythmes - alpha : Hz (occipital) - mu : Hz (mouvement) - beta : Hz (moteur) - gamma : Hz - delta : Hz (sommeil) Les signaux épileptiques - pointes intercritiques - EEG ictal (crise)

32 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS ANALYSE FREQUENTIELLE Analyse temps - fréquence des signaux Analyse des synchronies (Rodriguez et col., 1999, Tallon - Baudry) 100 ms40 Hz Lachaux,.(Human Brain Mapping, 1999) Amplitude Phase Filtre + Ondelette

33 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS ANALYSE DES SIGNAUX : Potentiels évoqués Moyennage synchronisé à 1 stimulus (Dawson 1937) Les différentes réponses (latence et amplitude) Nomenclature : - Nxxx : onde EEG négative pointant à xxx ms - Pxxx : onde EEG positive - Mxxx : onde MEG ……..pointant à xxx ms N145P100

34 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Influence du nombre d essais 1 essai 10 essais50 essais

35 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Influence du nombre d essais 100 essais 400 essais1600 essais

36 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS TOPOGRAPHIE DES REPONSES MEG Cartographie MEG : Interpolation linéaire entre capteurs sur le casque 2D 3D

37 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS TOPOGRAPHIE DES REPONSES EEG Cartographie EEG : Interpolation entre capteurs par fonctions splines Cartographie de la densité de courant : I = - V avec laplacien de surface Intérêts : * indépendant de la référence * focales pour sources proches * atténuation des sources profondes

38 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS LA LOCALISATION DES SOURCES DE LEEG et LA MEG

39 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS IMAGERIE MEG-EEG : LOCALISATION J?J? Reconstruire dans le temps et l espace les sources neuronales à l origine des signaux MEG et EEG mesurés en surface Problème inverse

40 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS LOCALISATION : Difficultés Problème direct : géométrie complexe du milieu de conduction : peau, os, LCR, cortex peu de données solution non unique instabilité des solutions au bruit Problème inverse :

41 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS PROBLEME DIRECT : les modèles de tête Modèle sphérique Modèle réaliste homogène par couches Modèle réaliste inhomogène Calcul analytique de B et V B indépendant des conductivités [de Munck, 1988] [Sarvas, 1987] Intégrales de frontière Milieux isotropes et homogènes Maillage surfacique [Meijs et al, 1987, 1989] [Hämäläinen & Sarvas, 1989] Méthode des Eléments Finis Méthode des Différences finies inhomogènes ou anisotropes Maillage volumique [Marin, 1998] [Lemieux, 1996] B dépend uniquement du centre de la sphère

42 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Approches dipolaires –Trouver un ou plusieurs dipôle(s) équivalent(s) dont les paramètres sont à estimer à partir des données OU Imagerie de la densité corticale de courant –Estimation des amplitudes de dipôles de courant distribués au préalable sur la surface corticale (sources distribuées) PROBLEME INVERSE : les approches

43 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS SOMESTHESIE Paradigme : Stimulations sensitives des doigts (400 par doigt) en MEG Droit Gauche Index Petit Doigt Latence à 40 ms

44 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire MEG

45 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS SOMESTHESIE : Somatotopie des doigts pouce index majeur petit doigt Distance entre doigt ~ 0.9 cm Distance I - V ~ 1.5 cm

46 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS SOMESTHESIE : Application clinique Contrôle Patient Dystonique

47 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS DESORGANISATION versus score clinique S. Meunier, L. Garnero B. Renault M. Vidailhet, Annals of Neurology, 2001

48 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS PE auditifs ou PEA Dipôles de la N100 - Mise en évidence d une tonotopie : variation de localisation avec la fréquence

49 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS PE auditifs ou PEA Tonotopie en fonction de la fréquence

50 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS VISUEL : Rétinotopie du champ visuel M110 Localisation du dipôle dépend de la position du stimulus dans le champ visuel H L U

51 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Limitations - Connaissance a priori du nombre de dipôles - Nombre limité de régions actives - Modèles adaptés aux composantes précoces –Quantification de lextension spatiale problématique PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire

52 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Imagerie de la densité de courant corticale Distribution de dipôles de courant à la surface du cortex –Proche du modèle physiologique Il ne reste à estimer que lamplitude des sources G est fixée par la contrainte corticale de la position des sources Les sources sont positionnées aux sommets du maillage cortical Très nombreuses ( mini.) PROBLEME INVERSE : Modèles distribués

53 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Problème inverse mal posé Il nadmet pas de solution unique –Imposé pas les lois de la Physique (von Helmoltz) –Trop d inconnues : problème indéterminé La solution ne dépend pas continûment des données –Très sensible aux perturbations régulariser le problème inverse PROBLEME INVERSE : Modèles distribués

54 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Main gauche Contrôle Patient SOMESTHESIE : quantification des aires

55 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS EPILEPSIE MEGEEG Enregistrement MEG/EEG de l activité intercritique chez un patient épileptique

56 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS EPILEPSIE : Résultats de localisation MEG Modèle dipolaire sur 23 pointes 1 dipôle par pointe Modèle distribué Régions les plus souvent activées sur 23 pointes

57 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS L R Localisation MEG (averaged spikes) Imagerie dynamique

58 Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS Fusion MEG-EEG (averaged spikes) Fusion MEG/EEG


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