ESIL 2008

Dualité des premières cartographies De Gall à Brodmann

Contribution de la neuropsychologie Aires corticales impliquées dans le langage selon la classificassion de Brodmann

Approche histologique

Limites de l’histologie corticale CC 1 2 4 6 5 3 Cortex visuel auditif Couches corticales misent en évidence par la coloration de Nissl.

Cartographie de l’activité métabolique par la Cytochrome oxydase

Exemple : cartographie du cortex somatosensoriel structures « en tonneau » Implantation des vibrisses Le « ratonculus »

Identification des structures actives et de leurs interconnections Exemple d’un traçage des voies visuelles chez l’oiseau. La détection consiste en l’utilisation de traceurs fluorescents dans les structures activées. D’après Koshiba et al., 2005

Utilisation de la pharmacologie pour la cartographie fonctionnelle des structures cérébrales D’après Ikemoto et Wise., 2004

Localisation des effets de l’auto-injection de carbachol (agoniste cholinergique) dans le mésencéphale D’après Ikemoto et Wise., 2004

Les méthodes de cartographie fonctionnelle : Electrique Métabolique EEG / MEG SPECT / TEP / IRMf

Notion de compromis méthodologique : 1 - In vivo vs. Ex vivo 2 – Aigu vs. Chronique 3 - Résolution

Cartographies basées sur le deplacement de charges électriques. Ces techniques ont une excellente résolution temporelle. EEG MEG

Les techniques de cartographie basées sur le métabolisme cérébral ont une excellente résolution spatiale : TEP, IRMf…

Couplage entre l’activation neuronale et la réponse hémodynamique Effet BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)

L’électroencéphalogramme

Mesure de l’activité électrique d’une population neuronale

Malheureusement… L’activité enregistrée ne correspond pas à : toute l’activité cérébrale mais essentiellement à l’activité corticale toute l’activité corticale mais essentiellement à l’activité des neurones pyramidaux toute l’activité des neurones pyramidaux mais essentiellement à l’activité dendritique toute l’activité dendritique mais seulement à sa partie suffisamment synchrone.

Les fréquences des ondes cérébrales s’étendent de 0. 25 Hz à ~ 60 Hz Les fréquences des ondes cérébrales s’étendent de 0.25 Hz à ~ 60 Hz. Profils de fréquences associés à certaines activités : DELTA : < 4 Hz (sommeil profond, coma) THETA : 4-8 Hz (activité limbique : mémoire et émotions) ALPHA : 8-12 Hz (sujet alerte, sans traitement actif de l’information) BETA : 13-30 Hz (sujet alerte, traitement actif de l’information) GAMMA : > 30-35 Hz (pourrait être relié à la conscience, c-à-d le lien entre différentes régions cérébrales pour former un concept cohérent) Tracés EEG obtenus au cours de différents états de vigilance. L’amplitude du tracé et sa fréquence varient en fonction du niveau de vigilance. Plus le niveau de vigilance diminue, plus l’amplitude augmente et la fréquence diminue.

Epilepsie

Le moyennage des potentiels évoqués = Stimulus = Potentiel évoqué par le Stimulus

Le moyennage des potentiels évoqués Nécessité d’appliquer les stimulus à des délais identiques ! Et même à cette condition… la latence des réponses neuronales peut varier d’un essai à l’autre!!

La reconstruction des images Problème de la localisation des sources Cortex Cuir chevelu Recouvrements dans l’espace (et recouvrements dans le temps)

La reconstruction des images Il faut essayer de séparer les sources : Filtrage spatial Méthodes statistiques

La magnéto-encéphalographie

Le principe de base Magnétomètre Mesure des champs magnétiques induits par l’activité électrique des neurones. On enregistre directement à la surface du crâne les champs magnétiques émis par l’activité des neurones.

L’instrumentation MEG Les capteurs (248/306) sont regroupés dans un casque. Les capteurs sont reliés à des SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) = dispositif supraconducteur, refroidis à l’hélium liquide (-271°C). Les SQUID permettent de mesurer des champs magnétiques très faibles (10-15 T) On trace ensuite l’amplitude des champs magnétiques en fonction du temps

L’environnement technique de la MEG Cage en μ-métal (imperméable à tout champ magnétique extérieur) Cage de Faraday Appareils de stimulation amagnétiques Élimination des perturbations électriques Démagnétisation de tous les objets Démagnétisation des sujets

MEG & EEG: quelles différences ?

Imagerie par résonance magnétique

La résolution spatiale Les parametres de l’IRM La résolution spatiale IRM clinique : taille d’un voxel : 1´1´5 mm Micro-imagerie : taille d’un voxel : 0.2´0.2´1 mm La résolution temporelle : de l’ordre de la seconde Le contraste : Différence de signal entre 2 régions adjacentes Il diminue avec l’intensité du champ magnétique : 0.2 T 3 T

Différents types de contraste Les parametres de l’IRM Différents types de contraste Os Eau Oedème Substance blanche Substance grise Graisse Os Pondération T1 Pondération T2

? La méthode d’IRMf: Bases physiologiques du couplage de l’activité métabolique et hémodynamique Augmentation de l’activité électrique neuronale Augmentation du métabolisme (diminution des réserves en glucose et en O) Augmentation du flux sanguin (réponse hémodynamique) Augmentation de l’oxygénation sanguine ? Mesure du signal Modèle de changements physiologiques liés à l’activité cérébrale:

L’activité hémodynamique L’oxyhémoglobine possède des propriétés diamagnétiques O2 La désoxyhémoglobine possède des propriétés paramagnétiques : agent de contraste intrinsèque  Diminution du signal RMN  Pas de perturbation du signal RMN

Les contraintes de la stimulation Miroir Vidéo- projecteur Ecran Champ magnétique Clavier ergonomique Câble blindé Cage de Faraday ordinateur Codage optique Fibres optiques Stimulation sensorielle (visuelle, auditive, ...) et acquisition des réponses du sujet en temps réel Contrôle du déroulement de l'expérience Analyse des performances psychophysiques Environnement spatial : Exiguité Isolement Stress Environnement sonore : Bruit permanent Acquisition anatomique Séquences fonctionnelles

Exemple de résultat en IRMf : Cartographie des aires corticales impliquées dans l’acquisition du langage chez l’enfant. D’après Hertz-pannier et al., 2004

La Tomographie par Emission de Positons

Le principe : La TEP est une méthode hémodynamique. Elle permet de visualiser les conséquences de l’activité des neurones sur le débit sanguin cérébral régional. On injecte dans le sang un traceur radioactif. On observe la concentration de ce traceur dans le corps.

Contraintes de la TEP Le temps efficace pour tester une tâche est relativement court à cause de la période rapide de la source de radioactivité. Après chaque tâche, le sujet doit attendre plusieurs minutes pour que le niveau de radioactivité émis soit négligeable avant de recevoir une nouvelle dose pour la tâche suivante. Au cours d’un examen fonctionnel, une douzaine d’injections de radio-isotope est nécessaire pour obtenir une bonne carte des activations cérébrales. Les doses de radioactivité reçues par un sujet durant une session de TEP sont peu élevées, mais on ne permet tout de même qu’une seule session par année à un même sujet. Avantages : Résolution spatiale ~ cm Acquisition 3D Marquage par différents traceurs : étude du devenir de différents métabolites Inconvénients : Invasif : radioactivité Multiples injections (délai) Faible signal Résolution temporelle ~ min

Fusion MEG/EEG et IRMf Pourquoi? Comment?

Les spécificités des différentes techniques

Intérêt de la fusion

La qualité des images IRM Sans les électrodes Avec les électrodes Sans les électrodes Avec les électrodes

La qualité des signaux EEG Avant correction Après correction

Combiner les techniques et améliorer les résolutions : EX 1 / IRMF / EEG Ex 2 : IRM / TEP

La fusion des techniques