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 2010 11 conférences de 3 heures 5 travaux pratiques de 3 heures devant ordinateur 1 examen devant ordinateur (20%) 1 présentation en groupe (20%) 1 examen écrit (60%) 3 crédits 5 avril 6 mars et 2 avril 23 avril

Cours théoriques 1. (16 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction IRM et anatomie (Jean-Sebastien Provost) 2. (23 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Introduction aux contrastes d'IRM (Dr. Rick Hoge) 3. (30 janvier) ‐‐‐‐‐‐ Reconstruction d'images (Dr. Rick Hoge) 4. (6 février) ‐‐‐‐‐‐ BOLD et devis expérimentaux 5. (13 février) ‐‐‐‐‐‐ Prétraitement 6. (20 mars) ‐‐‐‐‐‐ Analyses d'images IRMf 7. (12 mars) ‐‐‐‐‐‐ Normalisation 8. (19 mars) ‐‐‐‐‐‐ IRM structurelle 9. (26 mars) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 1*** 10. (2 avril) ‐‐‐‐‐‐ ***Présentations orales 2*** 11. (9 avril) ‐‐‐‐‐‐ Etudes de connectivité par IRMf (Dr. Pierre Bellec) 11. (23 avril) ‐‐‐‐‐‐ **Examen théorique**

Ateliers informatiques (Jean-Sebastien Provost et Ahmed Ibrahim) Vérification des données et pré-traitement Modèle linéaire Moyennage et normalisation Seuillage et visualisation des données Repérage des zones et report des résultats Examen pratique (données à analyser)

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 Voxel-based morphometry Peut être l’anatomie avec différents contrastes (T1, T2, PD), ou anatomie vasculaire Voxel-based morphometry 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

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 L’idéal est moins de sujets mais des heures de scan (bien sûr impossible)

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) Assez nouveau (date d’à peu près 1997) 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, étudiante au PhD, PCAN lab Diapositives: http://unfweb.criugm.qc.ca/oury/Site/Downloads.html