Étude du développement cérébral par IRM conventionnelle, IRM de diffusion et IRM fonctionnelle Jessica Dubois Unité de Neuro-imagerie Anatomique et Fonctionnelle Service Hospitalier Frédéric Joliot, CEA, Orsay 1 1

La RMN pour l’exploration du cerveau 3 niveaux possibles : Biochimie (Spectroscopie par RMN) Morphologie (IRM conventionnelle, IRM de diffusion) Cognition (IRM fonctionnelle) Plan Principes des différentes modalités d’IRM Applications pour l’étude du développement cérébral

L’Imagerie par Résonance Magnétique Atome d’hydrogène Corps : eau Résolution spatiale ~ mm Résolution temporelle ~ s ou min L’imageur RMN Aimant : B0 (1.5T) Antenne radiofréquence : B1 (~10-6T, 64MHz) Bobines de gradients : Gx, Gy, Gz (~10-3T.m-1)

Codage spatial du signal : sélection d’une coupe Rappel : la fréquence de résonance dépend du champ magnétique statique Gradient de champ magnétique la fréquence de résonance varie dans l’espace fréquence position Onde radiofréquence de fréquence donnée excitation et résonance des spins d’une coupe Enregistrement du signal des spins de la coupe

Mécanismes de contraste en IRM Densité de protons Retour à l’état d’équilibre (relaxation) après excitation par l’onde radio-fréquence B1 - Repousse de l’aimantation longitudinale : T1 - Décroissance de l’aimantation transversale : T2, T2*

L’IRM conventionnelle Types d’images Densité de protons T1 T2* T2 Anatomie : matière grise (noyaux gris centraux, cortex : sillons / gyri), matière blanche, ventricules (liquide céphalo-rachidien) …

Exemples d’applications Image 2D Détection automatique des sillons Rendu d’une section oblique Rendu surfacique du cortex

L’IRM de diffusion Mouvements aléatoires des molécules d’eau Diffusion dans le tissu cérébral Signal RMN de diffusion D : coefficient de diffusion, b : pondération de diffusion Sensibilité à l’orientation des fibres myélinisées de la matière blanche

L’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) Dxx Dxy Dxz Dyz Dyy Dzz T2 z y x

Cartes DTI Orientations codées en couleurs Diffusion moyenne Anisotropie

Suivi de faisceaux de fibres (tracking) Principe : utiliser l’information d’orientation dans chaque pixel et se propager de proche en proche pour construire une « fibre » d’un faisceau de matière blanche

Tracking de fibres

L’IRM fonctionnelle Localisation des activations cérébrales Ex : stimulation visuelle Champ de vue entier Hémichamp gauche Hémichamp droit

Activations cérébrales Phénomènes physiologiques accompagnant l’activité neuronale : Changements métaboliques Consommation de glucose Consommation en oxygène Changements hémodynamiques Volume sanguin Débit sanguin Augmentation de la saturation en oxygène du sang

L’effet BOLD et le signal RMN Hémoglobine : atome de fer Comportement magnétique : porteuse d’oxygène : diamagnétique non porteuse d’oxygène : paramagnétique Déoxyhémoglobine : - modifications des lignes de champ magnétique - effet sur le T2* - effet sur le signal RMN Effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant)

L’effet BOLD et les activations cérébrales Lors d’une activation cérébrale : Augmentation de la saturation en oxygène du sang Diminution de la concentration en déoxyhémoglobine Augmentation du T2* Augmentation du signal RMN Signal t

Étude en IRM conventionnelle Évolution des temps de relaxation avec l’âge Myélinisation de la matière blanche vue en T1 I : 1mois II : 2mois III : 3-6mois IV : 7-9mois V : >9mois Paus et al, Brain Res Bull 2001

Étude de la formation des sillons et gyri Imagerie pré-natale : « plissements » du cortex Application potentielle : détection précoce de pathologies du développement cortical Scifo et al, HBM 2003 Collaboration SHFJ / Hôpital Necker, Paris / HSR, Milan

Étude en IRM de diffusion diffusion moyenne anisotropie 26sem 40sem 7ans Sensibilité à l’anisotropie initiale du cortex Sensibilité au processus de myélinisation des fibres de matière blanche Sensibilité à l’orientation des faisceaux de fibres avant la fin de la myélinisation Neil et al., NMR Biomed. 2002

Organisation des faisceaux chez le bébé Quel est l’état d’« organisation » des réseaux de matière blanche chez le bébé de 3 mois ? Collaboration en cours SHFJ / Hôpital Necker, Paris Vue sagittale Vue axiale Vue coronale

Étude en IRM fonctionnelle Quel est l’état de « fonctionnement » du cerveau (matière grise) chez le bébé de 3 mois ? Activations aux sons Dehaene-Lambertz et al, Science 2002 Langage Assymétrie en faveur de l’hémisphère gauche Paroles à l’endroit vs paroles à l’envers Bébés éveillés vs bébés endormis

Études en cours Langage : mémorisation d’une phrase écoutée par le bébé de 3 mois ? Vision : le nouveau-né « voit-il » ? Chez l’adulte : région spécifique à la vision des visages, assymétrie en faveur de l’hémisphère droit Chez le bébé de 3 mois ?

Conclusion L’IRM appliquée à l’étude du développement : anatomie / fonctions, quels liens ? La RMN : 1946 L’IRM : 1973 L’IRM fonctionnelle : 1992 L’IRM de diffusion appliquée au tracking : 1999