Introduction partie I: Qu’est-ce que l’IRM cérébrale? RAD6005 – Introduction à l’IRMf Introduction partie I: Qu’est-ce que l’IRM cérébrale? Oury monchi, PhD Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université de Montréal 1

Plan du cours RAD6005, hiver 2014 11 conférences de 3 heures 5 travaux pratiques de 3 heures devant ordinateur 1 examen devant ordinateur (30%) 1 présentation (10%) 1 examen écrit (70%) 3 crédits 9 avril 24 et 31 mars 21 avril

Cours théoriques 1. (13 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction IRM et anatomie 2. (20 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction aux contrastes d'IRM (Dr. Rick Hoge) 3. (27 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Reconstruction d'images (Dr. Rick Hoge) 4. (3 février) ‐‐‐‐‐‐ BOLD et devis expérimentaux 5. (10 février) ‐‐‐‐‐‐ Prétraitement 6. (17 février) ‐‐‐‐‐‐ Analyses d'images IRMf 7. (10 mars) ‐‐‐‐‐‐ Normalisation 8. (17 mars) ‐‐‐‐‐‐ IRM structurelle 9. (24 mars) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 1*** 10. (31 mars) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 2*** 11. (7 avril) ‐‐‐‐‐‐ Etudes de connectivité par IRMf (Dr. Pierre Bellec) 11. (21 avril) ‐‐‐‐‐‐ **Examen théorique**

Ateliers informatiques (Jean-Sebastien Provost) Vérification des données et pré-traitement (19 février) Modèle linéaire (26 février) Moyennage et normalisation (12 mars) Seuillage et visualisation des données (19 mars) Repérage des zones et report des résultats (26 mars) Examen pratique (données à analyser, 9 avril)

Résolutions temporelles et spatiales Chaque technique a une résolution temporale et spatiale différente.

Pas couverts dans ce cours Techniques d’IRM Études anatomiques Études Fonctionnelles Études physiologiques Pas couverts dans ce cours

Notre Siemens 3T

Histoire La première image IRM a été publiée en 1973 La première image d’un sujet humain a été complétée en 1977 et a pris presque 5 heures à acquérir (Damadian et al.) En 2003, Dr. Paul Lauterbur et Sir Peter Mansfield ont reçu le prix Nobel pour leur découverte

Bobine de radiofréquence La bobine de radiofréquence nous donne différents champs de vision dépendemment de sa forme

Principes de base de l’IRM Aimant: Champ magnétique (B0) très puissant (de 1 à 7T) et homogène, qui va inciter les protons d’hydrogène à s’aligner. **Champ magnétique de la terre = 0.00005T!!** Bobine de radiofréquence: envoie une impulsion (B1) à la fréquence de résonance de l’hydrogène. Après être entrés en état de résonance, ces protons reviennent à leur état de base à des vitesses différentes suivant le tissu dans lequel ils se trouvent. Ceci génère un contraste (p.ex. T1) Bobine de gradients: le signal généré par la RF ne nous donne pas d’information spatial en temps que tel, ce sont les bobines de gradients alignées sur trois axes (x,y,z) qui nous permettent de le faire.

IRM: Principes de Base Spins des protons d’Hydrogène

IRM: Principes de Base Spins des protons dans le champ statique B0

IRM: Principes de Base Effets de radiofréquences en résonance

IRM: Principes de Base Temps de relaxation des spins (T1 et T2)

IRM: Principes de Base Temps de relaxation de T1 et T2

IRM: Principes de Base

Principes de base de l’IRM Gradients: Chaque gradient crée un champ dans une direction différente. Il y en a donc trois, pour couvrir les trois axes.

IRM: Sécurité Le champ magnétique B0 est toujours présent, même lorsque le scanner n’est pas en marche. Ceci veut dire que tout métal est interdit à tout temps dans la salle d’IRM

IRM: Sécurité

Différentes méthodes Anatomie Peut être acquise avec différents contrastes (T1, T2, PD) donne des informtions complémentaires, ou anatomie vasculaire Voxel-based morphometry (méthode d’analyse) Méthode pour regarder les différences de volume de matière blanche ou grise entre plusieurs cerveaux DTI (imagerie à tenseurs de diffusion) Sert à regarder les fibres de la matière blanche Spectroscopie Utilise les “spins” d’autres molécules que l’hydrogène (tel que le carbone) pour créer une image

Anatomie: T1

Anatomie vasculaire

Voxel Based Morphometry Brenneis et al., 2004 - JNNP

Imagerie en tenseurs de diffusion (DTI)

Spectroscopie

Imagerie en résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)

Principes de base de l’IRMf On connait une relation entre l’activité cérébrale et le taux d’hémoglobine déoxygéné dans le sang Début des années 90, il a été découvert qu’une séquence d’impulsions produites par l’IRM pourrait mesurer le taux d’hémoglobine déoxygénée Ceci a donné naissance au Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) fMRI, ou T2*, qui nous donne une mesure indirecte de l’activité cérébrale

Principes de base de l’IRMf

Principes de base de l’IRMf (BOLD)

Arterial spin-labeling (ASL) Utilise des pulses de RF sélectionnés spécialement pour marquer le sang artériel qui circule dans le cerveau. Nul besoin d’injecter un agent de contraste (Comme en PET ou SPECT) Les mesures de flux peuvent s’acquérir rapidement

Principes de l’ASL 1. Marquer le sang arteriel rentrant par inversion magnétique 2.  Acquérir l’ image marquée 3. Répéter l’éxpérience sans marquage 4.  Acquérir l’image contrôle

K.J. Bangen et al. / Neurobiology of Aging 30 (2009) 1276–1287

Principes de base de l’IRMf Pour pouvoir visualiser un effet, il faut moyenner beaucoup de sujets avec beaucoup de runs chacun

Types de dessins expérimentaux et analyses

Dessins expérimentaux Block design (dessin en blocks) Comparaison de longues périodes (ex 16s) d’une condition avec une longue période d’une autre condition Approche traditionnelle Le plus puissant en termes statistiques Dépend moins du modèle hémodynamique créé Event-related design (dessin évènementiel): Comparaison de conditions à périodes courtes (ex 1s) Plus récent environ 1998 Moins puissant statistiquement, mais a beaucoup d’avantages

Dessins expérimentaux Dessin en blocks Dessin évènementiel espacé Dessin évènementiel mixte

Analyses Correction du mouvement “Smoothing”, ou lissage Normalisation Chaque sujet bouge un peu pendant la session Si une structure est à une place au début et une autre à la fin, les analyses ne seront pas valides “Smoothing”, ou lissage Normalisation Chaque cerveau est différent, il faut qu’ils se ressemblent pour pouvoir les comparer les uns aux autres Application d’un modèle linéaire Création de cartes statistiques Pre-processing

Analyses

Modeling the expected response (fmridesign)

Modeling the data (GLM) (From Dr. J. Armony)

(From Dr. J. Armony)

Connectivité Connectivité fonctionelle: Connectivité effective: On choisit une région d’intérêt, et on voit quelles régions corrèlent avec On ne verrait pas de différence entre ces deux situations Connectivité effective: On choisit plusieurs région d’intérêt et une région avec laquelle on pense qu’elle corrèle, et on regarde si c’est une corrélation directe ou non On peut voir la différence entre ces deux situations

Connectivité Le but est d’identifier les régions qui se co-activent – i.e. d’après le modèle linéaire, quelles régions varient ensemble?

Importance des hypothèses “Science sans conscience n’est que ruine de l’âme!” (François Rabelais) Une expérience sans question ou hypothèse ne sert pas à grand chose et peut être coûteuse! L’important c’est la question, si l’IRMf peut y répondre. Il faut savoir faire des dessins expérimentaux appropriés.

Importance des hypothèses “We are also believers in good old-fashioned experimental design, like those dreaded psychophysicists that you keep mentioning. We try to teach our students that the most amazing patient or the most advanced method is useless if you don’t design the experiments right. Which may seem obvious, but apparently it isn’t always!” “I worry that many of my colleagues have become so entranced with neuroimaging that they think cognitive neuroscience is just cognitive neuroimaging. This is really unfortunate because there are fundamental questions that imaging can’t answer and patient-based research can.” Prof. Martha Farah

Variations dans l’IRMf Attention: Attention les différences BOLD entre 2 groupes surviennent des différences d’activité neuronale, mais aussi différences dans le métabolisme chez les individus. Cette différence augmente si l’on compare des individus d’âge différent ou atteints de maladies différentes Certains chercheurs essaient de répondre à cette question, en faisant d’autres types d’acquisitions qui s’intéressent plus spécifiquement au métabolisme (ex Dr. Rick Hoge au CRIUGM)

Paramètres Nécessaires lors de la Publication d’Articles en IRMf

sélection ou exécution d’une nouvelle action Théorie proposée Niveaux Monitoring/ association Comparaison/ Sélection Association stimulus/action Organisation dans la mémoire de travail CORTEX Préfrontal Dorsal 9, 46 Ventral 47/12 Postérieur int 6, 8, 44 Planification, sélection ou exécution d’une nouvelle action Caudé dorsal Caudé ventral STRIATUM Putamen

Montreal Card Sorting Task, Étude I Retrieval w/o shift Cue card Retrieval w/ shift vs Prédictions avec changement: CPF-VL+ Noyau caudé sans changement: CPF-VL, PAS de striatum Monchi et al., Ann. Neurol., 2006

Montreal Card Sorting Task Changement de règle continu Matching according to colour Matching according to number Condition contrôle Prédictions Changement de règle continu: CPF-VL, PAS de striatum

IRMf MCST: Contrôles en santé VL-PFC No striatum Cue Card VS Retrieval NO shift Control VL-PFC Caudate 3 7 T-stat Cue Card Retrieval WITH shift Control VS Significant VLPFC occurs in all active conditions vs control VL-PFC No striatum Continuous shift Control VS X = 18 Y = -4 Monchi et al. Feb 2006, Annals of Neurology

fMRI MCST: Healthy Controls 3 5 T-stat X = 12 Caudate Putamen Cue Card Cue Card VS Retrieval NO shift Retrieval WITH shift X = 12 2.5 5 T-stat Caudate Cue Card VS In order to further separate out the role of the caudate nucleus we also performed the following subtractions Which implies ?? That is not shif per se but the planning of the novel action that is important. Retrieval WITH shift Continuous shift Le noyau caudé n’est pas particulièrement impliqué dans le changement de règle en soi, mais dans la planification d’une nouvelle action. Monchi et al. Feb 2006, Annals of Neurology

Lecture recommandée et remerciements Functional Magnetic Resonance Imaging, de Scott A. Huettel, Allen W. Song et Gregory McCarthy Mise en place des diapos Kristina Martinu, PhD, alumni PCAN lab Diapositives: http://unfweb.criugm.qc.ca/oury/Site/Downloads.html

Introduction partie II: Neuroanatomie RAD6005 – Introduction à l’IRMf Introduction partie II: Neuroanatomie 1

Comment peut-on “voir” le cerveau ? Autopsies Neurochirurgies Techniques d’imageries Computerized axial tomography (CT) Spectroscopie (SPECT) Tomographie par émission de positron (PET) Imagerie par résonance magnétique (MRI) Très utile de connaître votre neuroanatomie Images sont fantastiques si vous savez ce que vous devez voir…

Comment doit-on regarder un cerveau ?

Comment doit-on regarder un cerveau ?

Comment doit-on regarder un cerveau ?

Comment doit-on regarder un cerveau ? 2 1 4 3 5

Comment doit-on regarder un cerveau ? 1 1 n=1 n=12

Terminologie d’orientation: les différentes vues Dessous (vue inférieure) Devant (vue antérieure) Derrière (vue postérieure) Dessus (vue supérieure) Côté gauche (vue latérale) Côté droit (vue latérale)

Terminologie d’orientation Pour un humain dans la position verticale: Supérieur / Dorsal i.e. vers le dos Toujours supérieur Toujours inférieur Toujours antérieur postérieur Postérieur / Caudal i.e. vers la queue Antérieur / Rostral i.e. vers le nez Inférieur / Ventral i.e. vers le ventre

Terminologie d’orientation Supérieur / Dorsal CERVEAU Postérieur / Caudal Antérieur /Rostral TRONC CÉRÉBRAL Rostral/Supérieur Inférieur / Ventral Dorsal/Postérieur Ventral/ Antérieur Caudal/Inférieur

Terminologie d’orientation Vue ventrale Vue dorsale Médian Fissure longitudinale Latéral

Plan de coupes Axial (transversal) Sagittal (latéral) Coronal

Trois types de classification 1- Classification cytoarchitectonique: Identification de régions basée sur l’organisation neuronale 2- Classification fonctionelle: Identification de régions basée sur des observations comportementales: a) de lésion b) de scan c) de maladie

Trois types de classification 3- Classification neuroanatomique: Identification de régions basée sur les structures macroscopiques

Structures corticales Le cerveau est constitué de deux types de« matières »: La matière blanche est constituée de fibres (ex.:axones) & cellules gliales La matière grise est constituée de neurones (corps cellulaire) ex. cortex  couche entourant le cerveau + structures sous- corticales Matière grise Matière blanche

Lobes cérébraux Le cortex est formé de « bosses » et de « creux ». Les « bosses » s’appellent gyrus (gyri) Les « creux » s’appellent sulcus (sulci) Extérieur Intérieur

Lobes Fissure pariéto-occipitale Lobe pariétal (voir vue médiane) Lobe pariétal Sulcus central/Fissure de Rolando Lobe occipital Lobe frontal Sulcus latéral/fissure de Sylvius Fissure occipitale Lobe temporal

Lobes Sulcus central Lobe parietal Insula Lobe frontal Lobe temporal

Lobes Lobe frontal Insula Lobe temporal Lobe parietal

Vue latérale hémisphèrique Pre-central gyrus Central sulcus Superior parietal lobule Post-central gyrus Inferior parietal lobule Superior temporal gyrus Superior temporal sulcus Middle temporal gyrus Inferior temporal sulcus Inferior temporal gyrus

Vue latérale hémisphèrique Superior frontal gyrus Superior frontal sulcus Pars opercularis Middle frontal gyrus Pars triangularis Inferior frontal sulcus Inferior frontal gyrus Ascending ramus Horizontal ramus Pars orbitalis

Vue latérale hémisphèrique Superior frontal gyrus Pre-central gyrus Central sulcus Superior frontal sulcus Superior parietal lobule Pars opercularis Post-central gyrus Middle frontal gyrus Inferior parietal lobule Pars triangularis Inferior frontal sulcus Superior temporal gyrus Inferior frontal gyrus Ascending ramus Horizontal ramus Superior temporal sulcus Pars orbitalis Middle temporal gyrus Inferior temporal sulcus Inferior temporal gyrus

Fissure pariéto-occipitale Lobes – vue médiane Lobe parietal Sulcus central Fissure pariéto-occipitale Lobe frontal Lobe occipital Lobe temporal (Cervelet)

Structures corticales Lobule Paracentral Sulcus marginal Sulcus paracentral Sulcus central Précuneus Gyrus cingulaire fissure pariéto-occipitale Sulcus cingulaire Cuneus Thalamus Hypothalamus Fissure de Calcarine Gyrus lingual

Structures sous-corticales Noyaux sous-corticaux: Thalamus Noyau caudé Putamen Globus Pallidus Amygdale Hippocampe Ganglions de la base

Structures sous-corticales Noyau caudé Thalamus Noyau rouge Putamen Globus pallidus Substance noire STN

Structures sous-corticales Putamen Noyau caudé Amygdale Amygdale

Structures sous-corticales Noyau caudé Ventricules latéraux Putamen Capsule interne Insula Globus Pallidus Thalamus 3e ventricule Cervelet

Structures sous-corticales Corps calleux Noyau caudé Ventricules latéraux Capsule interne Putamen Insula Globus pallidus Hippocampe

Apprendre la neuroanatomie Conclusion… Vous pouvez soit: Apprendre la neuroanatomie Ou Dépendre des atlas anatomiques

Questions? jean-sebastien.provost@umontreal.ca Pour étudier les structures plus en détail, vous pouvez aller regarder le Digital Anatomist: http://www9.biostr.washington.edu/da.html