Cours du CENIR 2 avril 2013 Eric BERTASI

I. Qu’est-ce que la stimulation ? 1)Définition 2)Principes de synchronisation 3)Application à l’IRM II. Comment faire en pratique ? 1)Programmer sa tâche 2)Prévoir / tester 3)Les points à (ne pas) vérifier III. Qu’est-il possible de faire au CENIR ? 1)Stimulation 2)Enregistrements péri-IRM 3)L’encadrement scientifique et technique de la plateforme

La stimulation, au sens large, c’est : Enregistrer des signaux Recueillir des réponses Envoyer des stimuli

La stimulation, finalement, c’est : T = 0s SELECTION... FIXATION... SEQUENCE... Temps T = 2sT = 3,6sT = 22s T = 24sT = 25,6sT = 44s T = 46setc. Planifier des évènements de stimulation et se souvenir des paramètres de ces évènements, notamment des timings Temps Acquérir des évènements générés par le sujet, en enregistrer les mesures notamment temporelles Temps Base de temps 1 Base de temps 2 Base de temps 3

But : enregistrer les informations minimales pour être en mesure, a posteriori et à chaque instant de l’acquisition, de connaître l’instant d’occurrence d’un évènement dans une base de temps commune. Pour cela, deux méthodes : MaîtreEsclave Temps Système A Système B Démarrer Arrêter Envoi d’un marqueur

Dans la majorité des cas, les systèmes utilisés proposeront leur(s) propre(s) méthode(s) de synchronisation et nous devrons nous y plier.

Pour réaliser une acquisition d’IRM, deux éléments sont nécessaires :  Un champ magnétique intense  Des ondes électromagnétiques Tout matériel supplémentaire doit :  Ne pas perturber l’acquisition des images  Ne pas (trop) être perturbé par l’acquisition des images Afin de protéger l’IRM du monde extérieur, elle est placée dans une cage de Faraday.  Les signaux électriques entrants et sortants doivent être filtrés.  Les fibres optiques, tubes plastiques, flux lumineux passent par des guides d’ondes. Conclusion : tous les systèmes ne sont pas compatibles à l’IRM. Les rendre compatible peut être très onéreux.

Synchronisations et timings : Besoins d’une précision < 10 ms (mais nous visons < 1 ms) Type de connexionPrécisionCommentaire Parallèle<100 usConnectique de plus en plus difficile à trouver et à utiliser (sécurité des OS) Série (RS232)<1msCommunément utilisé USBvariablePlug’n’play mais attention aux latences aléatoires. OK si matériel spécifique. EthernetvariableOK si lien direct, sinon attention aux latences aléatoires

Logiciel Programma- tion script Programmation graphique et/ou WYSIWYG Particularités Prix Cogent Oui- Simple, très bonne gestion des entrées/sorties (notamment port série) Gratuit (sauf licence Matlab) E-Prime 2 SecondaireOui Ergonomique pour les designs simples. Fiable. Payant PsychToolbox Oui- Gestion très fine des périphériques et des stimuli. Quelques fonctionnalités manquantes sous Windows. Gratuit (sauf licence Matlab) LabView -Oui Graphique uniquement ! Ne fonctionne qu’avec du matériel NI. Payant Presentation Oui- Langage propriétairePayant Logiciel de stimulation : ensemble d’outils et de fonctionnalités encapsulées fiables permettant d’utiliser facilement les entrées/sorties d’un ordinateur (ports, écran, clavier, souris, joystick, etc)  Choisir son logiciel / sa bibliothèque de stimulation : Autres Les langages de programmation avec librairie adéquate : C++, Python, Java, etc. Logiciels « faits maison » : Stimulat (précision temporelle excellente), JEDA (création de stimuli rétinotopiques facilitée), meyeParadigm, etc.

Enregistrement des données On peut ici effectuer des calculs plus longs. Ex : création d’un tableau de données à coller dans un fichier Excel. On enregistrera les données brutes quoi qu’il arrive. Synchronisation avec l’IRM Etape cruciale : la valeur temporelle du début de l’acquisition IRMf est à enregistrer pour faire la correspondance entre les bases de temps Début d’un bloc Fin d’un bloc Gestion des entrées expérimentateur Ex : entrer le n° du sujet, vérifier que le fichier de sortie à venir ne va pas en écraser un autre. Initialisations et configurations Ex : Tirer au sort l’ordre des stimuli. Configurer la taille de l’écran, le volume sonore, tester les boutons, etc. Ecran de séparation L’essai à proprement parler, gestion des entrées / sorties, vérification en ligne des timings Ex : présentation d’un QCM puis attente d’un appui bouton Séparation entre deux essais. On peut l’utiliser pour effectuer des calculs courts, charger des stimuli en mémoire, etc. Présentation d’un ou plusieurs stimuli. Eventuellement d’un écran réponse

Afin d’éviter les soucis à l’acquisition Tester extensivement les programmes : on n’a qu’une seule chance à l’acquisition ! Prévoir un plan de repli en cas de bug inattendu (du programme ou du sujet) : pouvoir reprendre l’expérience à certains points du programme. Tester les stimuli dans les conditions d’acquisition (angle visuel, volume sonore suffisant) Ces tests sont si importants du point de vue du CENIR que les créneaux pilotes sont gratuits ! Afin d’éviter les problèmes de conception Avoir une idée précise des analyses est indispensable afin de ne pas aboutir à un mauvais design (où plusieurs régresseurs corrèleraient entre eux, par exemple) Prendre en compte les limites physiques des sujets (fatigue, compréhension, etc.)

Les points à ne pas vérifier Chercher à obtenir un programme de stimulation qui suive à la milliseconde le design théorique est une erreur : il suffit que le programme sache qu’il est en retard Les délais induits par les systèmes électroniques : nous le faisons ! (Décalage entre les horloges des ordinateurs d’acquisition IRM et de stimulation, retard induit par le vidéoprojecteur, etc) Les points à vérifier Que des données suffisantes sont enregistrées et qu’elles sont cohérentes ! A chaque acquisition : que tout le système est branché et paramétré comme souhaité. Idée : écrire un petit programme test qui pourra détecter les oublis les plus courants.

Projection vidéo Caractéristiques de la projection : Résolution : 1024 x 768 Fréquence de rafraîchissement : 60 Hz Angle visuel maximum (horizontal) : Trio : 23 ° Verio : 27 ° Stimulation auditive Le CENIR dispose de casques audio pour les antennes IRM 12 et 32 canaux. Pour des stimuli attentionnels (de type « beep »), les deux sont OK Pour des stimuli de compréhension (étude du langage), il faut utiliser le casque épais qui ne fonctionne que dans l’antenne IRM 12 canaux.

La stimulation magnétique transcrânienne dans l’IRM Système opérationnel pour des impulsions uniques ou des trains d’impulsions courts synchronisés avec une acquisition d’IRM fonctionnelle. Reste à développer : système de synchronisation pour stimuler avec des thetaburst. Restent également à développer Stimulation électrique périphérique Stimulation sensorimotrice (à base d’air ou de lames piezoélectriques) Générateur d’odeurs

Boutons réponse Claviers de 1, 2 ou 4 boutons pour une ou deux mains Joysticks Bientôt un Trackball Un boîtier électronique paramétrable (choix de la connectique) Utilisé pour synchroniser l’IRM et l’ordinateur de stimulation Deux systèmes de capteurs de force bimanuels

Enregistrements électrophysiologiques Système Siemens Pouls ECG Système BIOPAC ECG EMG (1 muscle) Respiration Conductance cutanée Système BrainAmp EEG (64 voies) EMG (16 muscles) Resynchronisation fine des horloges des systèmes d’acquisition IRM et BrainAmp

Acquisition vidéo Il est possible de filmer le sujet dans le tunnel de l’IRM (ses mains, son visage) Corrolaire : système de stylo lumineux Permettre au sujet d’écrire comme avec un stylo, en lui projetant la forme qu’il dessine. Suivi de mouvements oculaires Trio : Système ASL LRO6000 (120 Hz) – suffisant pour enregistrer des fixations et de grandes saccades Vério : Système SR-Reasearch EyeLink (2 kHz) – suffisant pour enregistrer fixations, saccades, micro-saccades, poursuite de cibles, etc.

Les membres du CENIR peuvent aider depuis la formulation de la question scientifique jusqu’aux analyses finales. Notamment : Programmation de tâches fonctionnelles. Analyse de données IRMf, IRMa, spectroscopie, etc. Analyse de données comportementales, de données péri-IRM. Sous la forme de collaborations scientifiques

Cours du CENIR 2 avril 2013 Eric BERTASI