Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d ’Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM) UMR CNRS 6612 - Aix Marseille Université Faculté de Médecine et Hôpital de la Timone , Marseille

Transfert d ’aimantation Exploration du cerveau IRM "Tissulaire" Diffusion Transfert d ’aimantation  Anatomie  T1w et T2w IRM Exploration du cerveau par Résonance Magnétique Angiographie RM  Fonction  IRMf Hémodynamique Perfusion Bolus tracking Spin labelling Métabolisme Spectrométrie In vivo

fMRI Angio-MR Diffusion MRI Metabolic Imaging Perfusion MRI MRS MRI-Flash T2* MRS LAC / NAA

Spectrométrie de Résonance Magnétique (SRM) Cérébrale NAA tCr tCho CEMEREM-CRMBM-Marseille

IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE

IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE Félix Bloch Edward Purcell Prix Nobel de Physique 1952

L ’IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE Paul Lauterbur Peter Mansfield Prix Nobel de Médecine ou Physiologie 2003

LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE Richard Ernst Kurt Wuthrich Prix Nobel de Chimie 1991 Prix Nobel de Chimie 2002

SRM CEREBRALE IRM et SRM utilisent le même appareil. Pour le patient, les conditions sont identiques à celles d ’une IRM cérébrale. Siemens Vision Plus 1,5 T

PRINCIPE DE LA SRM

IMAGERIE et SPECTROMETRIE

IMAGERIE et SPECTROMETRIE IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules IMAGE (caractérisation anatomique)

IMAGERIE et SPECTROMETRIE IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules SRM : recueil du signal des autres molécules présentes dans les cellules (métabolites) IMAGE (caractérisation anatomique) SPECTRE (caractérisation métabolique)

In vivo MRS, MRI  TF   100 M   IRM NMR signal

In vivo MRS, MRI water  TF   metabolites 100 M   MRI NMR signal

In vivo MRS, MRI           100 M water TF metabolites MRI NMR signal  1-10 mM  TF    MRS NMR signal

IRM B0 et Gradients TF Impulsion RF H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

SRM B0 H2O H2O H2O I TF H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O Impulsion RF

H2O H H eau CH3 CH2 H H H OH H éthanol ppm Déplacement chimique

Deux règles de base Le déplacement chimique (fréquence de résonance) des protons d ’une molécule donnée est constant . Il caractérise la molécule. L ’intensité du signal varie en fonction de la concentration. H I I

Information métabolique Information anatomique TE = 135 ms IRM SRM NAA Cr/PCr CHO Concentration IMAGE SPECTRE Information métabolique Information anatomique

Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo Long NAA tCr tCho CEMEREM-CRMBM-Marseille

NAA tCr tCho Ins Glx Lipides Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo court NAA tCr tCho Ins Glx Lipides CEMEREM-CRMBM, UMR CNRS 6612, Marseille

Proton MRS spectrum of the human brain 1.5 T vs 3T PRESS 35 ms

Métabolites cérébraux observés par SRM N-Acétyl Aspartate GABA Glutamate/ Glutamine Glucose myo-Inositol scyllo-Inositol Taurine Composés de la Choline Créatine/ PhosphoCréatine Lactate Succinate, Leucine, Alanine, Acétate Lipides

Spectre calculé Spectre réel

NAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale TE = 135 ms CHO Cr/PCr NAA Lac NAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale CHO (Choline) : marqueur des membranes (lésions, renouvellement), de la myéline ou d ’une inflammation (bétaïne) Cr/PCr (Créatine-Phosphocréatine) : marqueur de densité cellulaire Lac (Lactate) : témoin d ’un processus ischémique, d ’un dysfonctionnement mitochondrial ou d ’une infiltration macrophagique

mI: myoinositol: marqueur glial (gliose, prolifération gliale) Cho Cr NAA TE = 35 ms mI: myoinositol: marqueur glial (gliose, prolifération gliale) mI Glx: glutamine-glutamate, (« neurotransmetteurs » ) métabolisme NH3, excitotoxicité.   Glx Lip: lipides, nécrose ou contamination (scalp) intégrité membranaire, dyslipidémies ... Lip

ORGANISATION DU TISSU CÉRÉBRAL Neurones Cellules Gliales Astrocyte Oligodendrocyte Myéline Microglie et macrophages METABOLISME NEURO-GLIAL

N-Acétyl Aspartate NAA Concentration élevée Neuron Plasmic Membrane N-Acétyl Aspartate NAA Concentration élevée Rôle dans la synthèse protéique Rôle dans la synthèse lipidique? Stockage de l’Aspartate? Métabolite du NAAG ? Osmorégulation ? Glial Plasmic Membrane

GLUTAMATE et GLUTAMINE CYCLE GLUTAMATE-GLUTAMINE ASTROCYTE NEURON GABA GABA GABA transaminase Glutamic acid decarboxylase (GAD) glutamate glutamate Glutamine synthetase NH3 glutaminase glutamine glutamine

Exploration du métabolisme cérébral par SRM 1H in vivo AA EXCITATEUR EXCITOTOXICITE CELLULARITE BIOENERGÉTIQUE MARQUEUR GLIAL glutamate (neurones) METABOLISME NH 3 glutamine ( glie ) CYCLE GLUTAMINE -GLUTAMATE METABOLISME MEMBRANAIRE MYELINISATION / DEMYELINISATION créatine INFLAMMATION phosphocréatine PROCESSUS TUMORAL N - acétyl aspartate MARQUEUR NEURONAL choline et dérivés OSMOLYTES taurine scyllo - inositol MALADIES METABOLIQUES -protéines OSMOLYTE myo - Inositol -acides aminés METABOLISME MEMBRANAIRE MARQUEUR GLIAL glycine -lipides mobiles MYELINISATION / DEMYELINISATION -si acide lactique INFLAMMATION AA EXCITATEUR ANOXIE 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 ppm

Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral

Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM

Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM Dosage de molécules issues du métabolisme de divers types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….)

Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM Dosage de molécules issues du métabolisme de divers types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….) - Analyse objective et quantifiée de la souffrance cérébrale

LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MONOVOXEL

LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MULTIVOXEL (CSI 2D) Imagerie métabolique MONOVOXEL

SRM monovoxel: Méthode de localisation La sélection du volume sensible (VOXEL) est le résultat de 3 excitations sélectives successives dans trois plans orthogonaux

SRM monovoxel: Méthode de localisation DEUX METHODES : - STEAM / VEST / VOSY (stimulated echo acquisition mode) - PRESS ( point resolved spectroscopy) - CHESS (élimination du signal de l’eau) Sensibilité: PRESS > STEAM Résolution Spatiale: STEAM > PRESS

STEAM PRESS

Coupe sagittale Coupe coronale Coupe transverse SPECTRE

Diagnostic positif de tumeur Spectrométrie monovoxel Diagnostic positif de tumeur CHOLINE NAA Controlatéral normal Avantages rapide (1 mn) traitement simple Inconvénient un seul voxel

Techniques de localisation monovoxel SRM du pôle temporal droit SRM du pôle temporal gauche CEMEREM-Marseille

LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MULTIVOXEL (CSI 2D) Imagerie métabolique MONOVOXEL

Number of acquisitions: Nx Ny  FID 1 pulse Acquisition  FID 1 pulse Gx 2D Phase encoding Gy Gz Number of acquisitions: Nx Ny

Number of acquisitions: Nx Ny Nz  FID 1 pulse Acquisition  FID 1 pulse Gx 3D Phase encoding Gy Gz Number of acquisitions: Nx Ny Nz

/2  SPIN ECHO TE/2 TE/2 Gx 2D Phase encoding Gy Slice selection Gz Number of acquisitions: Nx Ny

Imagerie métabolique avec tranches de saturation OVS = outer volume saturation

SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE Méthode de localisation L’acquisition simultanée d’une matrice spatiale 1D, 2D ou 3D de spectres est réalisée après excitation et codage de phase. carte de spectres

SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE

SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE CARTE DES SPECTRES

IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1,5 T - SRM proton) CARTE DES SPECTRES

CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612 CARTOGRAPHIE NAA Résolution 11 x 11 mm

Positionnement des coupes en imagerie métabolique Plan Bihippocampique CA-CP + 8mm

Hippocampe Postérieur CEMEREM-Marseille Sujet contrôle Hippocampe Postérieur Temporal Néocortex Hippocampe Antérieur Gche

SAGITTAL CSI 2D 135 ms Posterior Fossa Mesancephalon Vermis Pons CEMEREM-CRMBM, Marseille D. Galanaud et al. MAGMA 13 (2001)127-133 Mesancephalon Vermis Pons Cerebellar WM Medulla oblongata

Exploration IRM/SRM centrée sur le CC Taille CC MD MTR Imagerie métabolique protonique sagittale médiane 3) Partie Postérieure 4) Splénium 2) Partie Antérieure NAA Cr Cho 1) Genou NAA : N-acétyl-aspartate Cr:Créatine,Phosphocréatine Cho: Choline (Ranjeva et al., Multiple Sclerosis 2003)

Diagnostic positif de tumeur Cho Lesion TE = 135 ms NAA 4 3 2 1 ppm Controlateral TE = 135 ms 4 3 2 1 ppm

Guidage du geste biopsique Gliomes : Diagnostic d’extension 2 2 3 1 3 4 1 4 Guidage du geste biopsique

IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1,5 T - SRM proton) 4 3 2 1 NAA Cr CHO Lactate 4 3 2 1 image (1) image (3) CARTE DES SPECTRES image (2) image (4)

IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1,5 T - SRM proton) (4) CARTE DES SPECTRES image du lactate à 4

IMAGERIE METABOLIQUE HAUTE RESOLUTION CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612 NAA IMAGERIE METABOLIQUE HAUTE RESOLUTION TE = 135 ms CHO Cr NAA CHO Cr NAA CHO Cr

Diagnostic différentiel CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269-276

Diagnostic différentiel CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269-276

Imagerie métabolique des tumeurs Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Cho/Cr

Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade mI Cr SVS TE=20 ms Cr Cho Cho NAA NAA Cho Cho SVS TE=20 ms mI Cr Cr NAA NAA

Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Analyse en Composantes Principales des Métabolites SV TE=20 ms Cr/S GC Ins/S NAA/S F2 NV LGG Cho/S F1

SRM CÉRÉBRALE EN 2007 VOXEL UNIQUE 1995 : 2 x 2 x 2 = 8 ml AT = 30 min. STEAM 20 ms 2007 : 1,5 x 1,5 x 1,5 = 3,4 ml AT = 54 sec. PRESS 40 ms

SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 2D Standard : matrice 21 x 21 voxels AT = 10 min. voxel cylindrique : 5,7 ml (d = 2,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm Haute résolution : matrice 33 x 33 voxels AT = 28 min. voxel cylindrique : 1,5 ml (d = 1,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm

SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 3D (PEPSI) matrice 21 x 21 x 64 voxels AT = 10 min. voxel cylindrique : 2,3 ml (d = 2,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm x 470 mm sélection de tranche sur 80 mm

Spectrométrie monovoxel -> 1 seul volume d’intérêt < 5 minutes Robuste Fiable Information spatiale limitée Imagerie métabolique -> plusieurs volumes d’intérêt 10 minutes + (12 min pour 21x21 voxels de 5ml) Information spatiale plus importante

IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (1995) Capacité technique IRM SRM Recherche SRM Clinique Facilité d'utilisation

IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (2007) Capacité technique IRM SRM Recherche SRM Clinique Facilité d'utilisation

Impact diagnostique et thérapeutique IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (1995) Impact diagnostique et thérapeutique IRM SRM Clinique SRM Recherche Bénéfice pour le patient

Impact diagnostique et thérapeutique IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (2007) Impact diagnostique et thérapeutique IRM SRM Clinique SRM Recherche Bénéfice pour le patient