BOLD, Hypothèses et desseins Expérimentaux Oury Monchi, Ph.D. Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université de Montréal.

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1 BOLD, Hypothèses et desseins Expérimentaux Oury Monchi, Ph.D. Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université de Montréal Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université de Montréal

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4 Vaisseaux rouges: Art. Mid Vaisseaux verts: Art. Ant Vaisseaux bleus: Art. Mid Vaisseaux noires: Veines

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8 Rouge: Art. Noir: Veines OPFC

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10 Contraste T2* Il y a 2 origines à la relaxation transverse: 1. Les interactions spin-spin (T2) 2. Les changements de la fréquence de la précession des spins dues aux inhomogénéités du champ T2 * prend son origine dans la combinaison de ses 2 facteurs de la relaxation transverse T2* < T2

11 Contraste T2* 1/T2* = (1/T2) + (1/T2’) Où T2’ est l’ effet de déphasage causé par l’inhomogénéité du champ Hemoglobine désoxygénée est paramagnétique: Électrons isolés + moment magnetique significatif Augmentation taux Hemoglobine désoxygéné moins le champ est homogène  T2*

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16 Principes de base de la TEP La TEP dépend de l’injection d’un isotope radioactif généré par un cyclotron. Dès leurs injections, ces radio-isotopes se désintègrent et émettent des positrons qui entrent en collision avec des électrons. Ces collisions produisent des rayons γ opposés qui sont captés par les détecteurs de coïncidence de la TEP. Suivant les molécules auxquels s’attachent ces isotopes, on peut avoir de l’information sur le débit sanguin (étude d’activation, p. ex 0 15 ) ou avoir sur la relâche de neurotransmetteur (p. ex. 11 C qui se lie au récepteur D2 du striatum).

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26 R éfléchir avant d’agir Qu’espérez-vous trouver ? Qu’apprendrez-vous de nouveau sur les processus cognitifs Impliqués ? Obtiendrez-vous des informations complémentaires aux autres techniques ? Peut-on répondre à la question en utilisant des techniques plus simples et moins onéreuses ? L’IRMf ajoute-t-elle suffisamment d’informations pour justifier cette grande dépense d’argent et d’effort ?

27 R éfléchir avant d’agir Quelles seraient les autres possibilités (et/ou l’hypothèse nulle)? Ou n’y a-t-il pas vraiment d’autres possibilités ? (dans ce cas il n’est peut-être pas intéressant de réaliser l’expérience) Dans le cas où une autre possibilité ressort, l’étude serait- elle toujours intéressante ? Si cette autre possibilité n’est pas intéressante, l’espoir d’avoir le résultat attendu au départ est-il suffisant pour justifier la réalisation de l’expérience ? Quel serait le titre de l’article dans ‘Nature’ si ça marche ?

28 R éfléchir avant d’agir 3 Quelles sont les variables confondantes possibles ? Pouvez-vous les atténuer ? L’expérience a-t-elle déjà été réalisée ?

29 A quelle question essaye-t-on de répondre ?! Nature/Nombre de composantes cognitives ? Résolution Temporelle ? Reconstruction du BOLD ? Résolution Spatiale ? Cerveau entier ou Région d’Intérêt (ROI) ? A éviter : Quelle est la dernière méthode ou la méthode la plus sophistiquée ? Utilisons celle là !

30 Paramètres disponibles Présentation des Stimuli en Blocs Vs. Essais Mélangés ? Acquisition Synchronisée avec les Stimuli Vs. Acquisition Non Synchronisée ? Temps de Répétition pour l’acquisition des volumes Longueur des essais Longueur ISI Amplitude des essais ?

31 Paramètres disponibles 2 Nombre de volumes Nombre de Runs Sessions Multiples Nombre de Tranches Résolution Orientation des Tranches

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33 Subtraction Logic Cognitive subtraction originated with reaction time experiments (F. C. Donders, a Dutch physiologist). Mesure le temps d’apparition d’un procédé en comparant deux temps de réaction, le premier ayant les mêmes composants que le deuxième + le procédé d’intérêt. Assumption of pure insertion: You can insert a component process into a task without disrupting the other components. Widely criticized (we’ll come back to this when we talk about parametric studies) Exemple : T1: Appuyez sur le bouton quand vous voyez une lumière T2: Appuyez sur le bouton quand la lumière est verte mais pas rouge T3: Appuyez sur le bouton gauche quand la lumière est verte et sur le bouton droit quand la lumière est rouge T2 – T1 = temps pour faire la distinction entre les couleurs T3 – T2 = temps pour prendre une décision

34 Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common 10. It's not how big the region is, it's what you do with it. 9. Both involve heavy PETting. 8. It's important to select regions of interest. 7. Experts agree that timing is critical. 6. Both require correction for motion. 5. Experimentation is everything. Source: students in the Dartmouth McPew Summer Institute

35 Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common 4. You often can't get access when you need it. 3. You always hope for multiple activations. 2. Both make a lot of noise. 1. Both are better when the assumption of pure insertion is met. Source: students in the Dartmouth McPew Summer Institute Now you should get this joke!

36 Subtraction Logic: Brain Imaging Example: Our simple MT localizer T1: View stationary rings T2: View moving rings => T2 – T1 = “motion” areas Possible factors removed retinal adaptation You must always consider the possible components you could be adding or affecting. More sophisticated designs (e.g., parametric designs, conjunction designs) may better address true contribution of components. Possible factors added motion attentional salience

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39 Design Bloc État Stable Conditions control et activation Alternance entre des blocs de même type d ’ essais et des blocs de condition control Les acquisitions de volume sont synchronisées avec les essais Bon design pour la question suivante : L’aire X montre-t-elle une augmentation de l’activation quand elle est présentée avec la composante cognitive A par rapport à la condition control ou par rapport à la composante cognitive B

40 fMRI Activation: Block Design time ROI 020406080100120140160180 2600 2620 2640 2660 2680 2700 2720 2740 2760 2780 2800 Time (s) Signal -2 2 6 14 10 t-value stimulus off on image acq time

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47 Dessein évènementiel (Espacé) !Réponse à des évènements éphémères  Reconstruit la réponse hémodynamique.  Habituellement désynchronise l’acquisition du volume et la présentation du stimulus dans le but de scanner à différents points de la fonction hémodynamique. => Besoin de créer un fichier de sortie avec les temps de volume, la présentation des stimuli et les temps de réponse.  Pas besoin de présenter les stimuli et les conditions « control » en blocs. Cela peut-être mieux que de les présenter de manière aléatoire.

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49 fMRI Activation: Event Related time ROI stimulus off on image acq time -2 2 6 14 10 t-value stimulus average time course

50 Event Related (Spaced) Auditory Study ! Can reconstruct the signal directly from data because ISI large and not regular ! Can still reconstruct it with small ISI’s but more model dependant because of the deconvolution

51 Event Related Auditory Study

52 Design évènementiel : Essais mélangés Essais multiples, présentation aléatoire des évènements. Désynchronise l’acquisition du volume et la présentation des stimuli (=> enregistrer tous les temps) Diviser les essais en plus d’un évènement cognitif. => Petits évènements mais pas <<2secs. Peut contraster entre les évènements ou utiliser une condition « control ». Bonne utilisation de la résolution temporelle de l’IRMf, mais les designs et les statistiques sont plus complexes !

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56 Wisconsin Card Sorting Task

57 Bergman et al., 1995

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59 Wisconsin Card Sorting Task: Study I.1 Monchi et al., J. Neurosci. 2001 : Negative feedback : Positive feedback : Matching according to color : Matching according to shape : Control feedback : Matching : Control feedback : Matching Active Control : Matching according to shape

60 WCST study fMRI Methods Un nouveau design évènementiel en IRMf a été développé pour séparer 4 conditions d’une tâche. Essais mélangés : 4 Conditions : Couleur, Forme, Nombre, Control répétés 3 fois dans un ordre aléatoire par série. Essai : 1. Période d’appariement : la longueur dépend du sujet (0.5 to 2secs) 2. Période « feedback » (Récompense, Pénalité ou Control) : la longueur est 1.9 secs

61 WCST study fMRI Methods Condition « Control » : Appariement de cartes identiques Le temps aléatoire des essais (lié au temps de réaction du sujet) et les essais mélangés (liés à la performance du sujet) nous permettent de reconstruire des évènements multiples

62 WCST: Young Controls Shift Planning Vs. Negative Feedback Control Feedback Monchi et al., Journal of Neuroscience,2001 Monchi et al., Journal of Neuroscience, 2001

63 Wisconsin Card Sorting Task – Normal Subjects Shift Execution Z = 26 3.5 6 T-stat Z = 6 2 ND Cortico-BG loop (posterior PFC and putamen) involved in the execution of a shift Monchi et al., Journal of Neuroscience,2001 Monchi et al., Journal of Neuroscience, 2001 Matching following Negative Feedback vs Control Matching

64 Z = 42 3.5 6T-stat Y = 34 3 5 T-stat WCST: Young Controls Set Maintaining Compared to Positive Feedback – Control Feedback Consistent with the monitoring role of DLPFC within Working Memory

65 Results in Young Controls: Negative Feedback – Positive Feedback VS Negative feedback Positive feedback Isolation of a cognitive cortico-striatal loop including the ventrolateral PFC in the planning of a set-shift including the ventrolateral PFC in the planning of a set-shift Monchi et al., 2001: Journal of Neuroscience, editor’s choice Science and Nature Reviews Neuroscience

66 fMRI Activation: Phase-Encoded Design Les stimuli changent continuellement (spatialement) avec une période de 2Π L’acquisition de volume est synchronisée avec la phase The BOLD signal at each spatial location is Fourier transformed. This allows for instance to map out retinotopically visual areas of the brain

67 fMRI Activation: Phase-Encoded Design phase mapping eccentricity 050100150200250300350 810 820 830 840 850 860 870 880 890 Time (s) Signal time FFT magnitude phase

68 Résumé des différents Designs Design Bloc : Présentation des stimuli en bloc / synchronisation de l’acquisition du volume Design Evènementiel Classique : Présentation régulière ou irrégulière des stimuli habituellement Stimulus- Control/désynchronisation de l’acquisition de volume pour la réponse transitoire Design Evènementiel Essais mélangés : Evènements multiples, présentation aléatoire des stimuli, besoin de beucoup de volumes, désynchronisation de l’acquisition des volumes. Phase-Encoded Design : Changement constant des stimuli répétés périodiquement, synchronisation de l’acquisition des volumes avec la phase (< période!)

69 Some Constraints Scan Quickly but not << 1.5s Acquire as many frames as possible However subjects get tired session Max. 2 Hours Unless Sleep Expt !

70 Compromis / Tradeoffs “fMRI is like trying to assemble a ship in a bottle – every which way you try to move, you encounter a constraint” -- Mel Goodale “That’s on a good day. On a bad day, it’s like trying to assemble a ship in a bottle blindfolded, drunk and with one hand tied behind your back” – Jody Culham

71 Compromis / Tradeoffs Nombre de tranches vs. temps d’acquisition du volume plus il y a de tranches, plus le temps d’acquisition du volume est long e.g., 15 tranches en 2 sec vs. 20 tranches en 3 sec Nombre de tranches vs. résolution dans le plan plus la résolution dans le plan est grande, moins il y a de tranches pouvant être acquises dans un temps constant d’acquisition de volume e.g., matrice 128x128 pour 1 tranche vs. matrice 64x64 pour 4 tranches

72 EXCEPT when the activated region does not fill the voxel (partial voluming) Voxel size 3 x 3 x 6 = 54 mm 3 e.g., SNR = 100 3 x 3 x 3 = 27 mm 3 e.g., SNR = 71 2.1 x 2.1 x 6 = 27 mm 3 e.g., SNR = 71 isotropic non-isotropic In general, larger voxels buy you more SNR.

73 More Constraints Haute résolution I.e. 128 x 128 Bon pour distinguer entre de petites aires (e.g. subcortical) mais pauvre SNR. Basse résolution I.e 64 x 64 meilleur SNR.

74 Tranches Plus de Tranches Meilleure Résolution Acquisition plus lente Besoin d’optimiser la résolution, les tranches, le temps d’acquisition (pour une taille d’aimant donnée) Cerveau entier : Direction des tranches (souvent 45° vers la partie postérieure)

75 Tranches 2 ROI : Orientation des tranches dépendant de la localisation et de la forme des aires d’intérêt et de l’artefact EPI Garde le nombre de tranches et l’orientation constants tout au long de l’étude, qui est de sujet en sujet

76 Volumes and Séries Augmentation du nombre de séries: Moins de dérive par série mais plus d’effet aléatoire (e.g. mouvement). Aussi repos entre les séries, et enregistre les données à différent stade. C’est généralement mieux d’augmenter nombre de séries que d’utiliser des sessions multiples par sujet. Mais attention à l’effet de la fatigue !

77 More Power to Ya! Pouvoir Statistique la probabilité de rejeter l’hypothèse nulle quand elle est réellement fausse “si il y a un effet, quelles sont les chances que vous le trouviez”? Taille de l’effet plus les effets sont grands, plus le pouvoir statistique est grand e.g., MT localizer (moving rings - stationary runs) -- 1 série est généralement suffisant looking for activation during imagined motion might require many more runs

78 More Power to Ya! (suite) Taille de l’échantillon plus n est grand, plus de pouvoir statistique, dans l’ordre: plus de sujets plus de séries séries plus longues Signal : Noise Ratio meilleur SNR, plus de pouvoir statistique aimant plus fort, plus homogène plus de bobines dans l’antenne RF moins d’artefacts plus de filtre

79 ISI et longueur des essais La longueur des essais peut varier de “instantannée” à ISI Ne doit pas << 2 sec entre le début de chaque essai pour les desseins évènementiels à essais mélangés. Faut-il prendre en compte la durée des évènements ou peuvent-ils être tous considérés comme instantanés? Ca peut dépendre du type des stimuli

80 Dealing with frustration Sign that used to be at the 1.5 T at MGH Murphy's law acts with particular vigour in fMR imaging: Number of pieces of equipment required in an fMRI experiment: ~50 Probability of any one piece of equipment working in a session: 95% Probability of everything working in a session: 0.95^50 = 7.6% Solution for a good imaging session = $4 million magnet + $3 roll of duct tape

81 Remerciements: Cécile Madjar Some slides from Dr. Jody Culham’s design tutorials http://psychology.uwo.ca/fMRI4Newbies/Tutorials.html