Introduction à l’Imagerie Cérébrale Fonctionnelle :
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Introduction à l’Imagerie Cérébrale Fonctionnelle :. Line Garnero Laboratoire de Neurosciences Cognitives & Imagerie Cérébrale CNRS UPR640 Centre de Magnétoencéphalographie. Philippe Ciuciu UNAF/ CEA SHFJ Orsay. Sommaire. Imagerie Cérébrale Fonctionnelle. Principes physiologiques.

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Presentation Transcript


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Introduction à l’Imagerie Cérébrale Fonctionnelle :

Line Garnero

Laboratoire de Neurosciences Cognitives & Imagerie Cérébrale

CNRS UPR640

Centre de Magnétoencéphalographie

Philippe Ciuciu

UNAF/ CEA SHFJ

Orsay


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Sommaire

  • Imagerie Cérébrale Fonctionnelle

  • Principes physiologiques

  • Les différentes techniques

  • - principes physiques

  • - analyse des données

  • Applications

  • - Neurologie

  • - Sciences Cognitives


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Imagerie Cérébrale Fonctionnelle

  • Etude du cerveau en action

  • Répondre aux questions Où et Quand ?

  • Domaine de Recherche entre Sciences de la Vie et Physique, Mathématiques et Informatique

  • Applications : recherche en Sciences Cognitives

  • : recherche clinique (neurologie)


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Les différentes méthodes

Méthodes invasives

- imagerie optique (chez l’animal)

- électrodes intracérébrales (animal et patients)

Neuropsychologie

- étude de déficits en corrélation avec des lésions

Méthodes non invasives

- imagerie métabolique et hémodynamique (TEP et IRMf)

- imagerie électrique et magnétique (MEG et EEG)


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

cerveau

Log

Résolution

(mm)

MEG+PE

TEP

lésions

aire

imagerie

optique

IRM

colonne

potentiels de champs locaux

microlésions

couche

neurone

2-déoxyglucose

dendrite

microscopie

synapse

milliseconde

seconde

minute

heure

jour

Log Temps (sec)

non-invasif

invasif

Propriétés de diverses techniques d’investigation cérébrale


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Historique

1850 : Etude des lésions (Aire de Broca)

1929 : Premier EEG (Hans Berger)

1968 : Premières mesures en MEG

1972 : Tomographie par Emission de Positons TEP

1980 – 89 : Essor de la TEP

1990 : Apparition de l’IRM fonctionnelle

1990- : Commercialisation de systèmes MEG


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

PPSE - PPSI

Intracellulaire ou

extracellulaire

EEG - MEG

TEP

IRMf

Bases physiologiques de l’ I. C. F.

Neuronal

Potentiel d’action

Métabolisme

Synthèse d’ATP

consommation de

Glucose et O2

TEP

Hémodynamique

Déoxygénation

Augmentation

Du Débit Sanguin

D’après B. Mazoyer


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

MEG : mesure du champ magnétique.

Ordre de grandeur : 10-13 tesla

Capteurs : SQUID couplés à des bobines

Appareillage très coûteux

EEG : mesure du Potentiel électrique.

Ordre de grandeur : quelques microvolts

Capteurs : électrodes

Appareillage très répandu

Electroencéphalographie (EEG) et Magnétoencéphalographie (MEG)

Mesurent l ’activité électrique neuronale

Imagerie non invasive

Résolution temporelle ~1ms


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

ORIGINE DU SIGNAL MEG et EEG


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

POTENTIELS NEURONAUX

Potentiel Postsynaptique

I

Dipôle de courant microscopique

Q = I x d = 20 fAm

Durée 10ms

Potentiel d ’action

2 courants opposés :

front de polarisation + dépolarisation

Durée 1ms

Quadrupôle : Décroissance en 1/r3


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

POTENTIEL POST SYNAPTIQUE

Action d ’un neurotransmetteur :

Permeabilité : courant Na+ entrant

Permeabilité : courant K+ sortant

l : longueur de décroissance du courant =

0.1 mm

l

rs : résistance intracellulaire =

1012W

DV : ddp le long de la dendrite =

25 mV

DV

Dipôle de courant Q

Q= I l = DV l / rs = 20 fAm

Durée temporelle : 10 ms


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

COURANTS MACROSCOPIQUES

Sommation des activités simultanées d ’un grand nombre de neurones

Boucles fermées

Pas de courant

macroscopique

Noyaux

Boucles ouvertes

courant

macroscopique

Cortex

Cellules pyramidales


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Dipôle

radial (gyrus)

I

Dipôle

tangentiel (sillon)

Dipôle de courant

Macrocolonne corticale

105 à 106 neurones

Q =I x d ~10 à 100 nAm

Dipôles sur la surface

corticale

Courants macroscopiques


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Courants secondaires ou de conduction


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

CHAMPS RESULTANTS

CHAMP ELECTRIQUE

CHAMP MAGNETIQUE


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES

EEG

MEG

Potentiel < 0

Champ< 0

Champ>0

Potentiel > 0


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

QUELQUES NOTIONS D’INSTRUMENTATION


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

1er EEG : Hans Berger 1929

- sur patient trépané

Système 10- 20

Système 64 à 128 électrodes

casque d ’électrodes

INSTRUMENTATION EEG


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

INSTRUMENTATION MEG

Ordre de grandeur des champs magnétiques cérébraux


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

1980 : Systèmes 7 à 37 capteurs

couverture partielle de la tête

1990 : Système casque intégral, ~150 capteurs

Enregistrement MEG + EEG simultané

INSTRUMENTATION MEG

1er MEG : Cohen -MIT 1968

- avec de nombreux bobinages

1972 : apparition des squids

Capteur magnétique Supraconducteur 4°K

(refroidi à l ’hélium liquide)


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

INSTRUMENTATION MEG

Principe de la mesure en MEG

Détection :

bobines réceptrices de flux

+

transformateurs de flux : squids

SQUIDS : dispositif supra Basse T

(refroidi à l ’hélium liquide)


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Gradient d ’ordre supérieur avec capteurs de référence

Chambre blindée : parois de mu-métal

INSTRUMENTATION MEG - Correction


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

INSTRUMENTATION MEG - Le Système


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

LES SIGNAUX MEG et EEG


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

LES REPONSES DE LA MEG ET DE L ’EEG

Données spatiotemporelles

MEG

EEG


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

REPONSE SIMULTANEE MEG ET EEG

MEG

EEG

Réponse auditive 100 millisecondes après l ’arrivée du son


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Potentiel < 0

Champ< 0

Champ>0

Potentiel > 0

LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES

EEG

MEG


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

LES DIFFERENCES DE PROPAGATION

MEG

EEG

Cortex

Face externe de l ’os


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

DIFFERENCES ENTRE MEG ET EEG : RECAPITULATIF

MEG

EEG

  • Mesure le potentiel électrique

  • Réponse dipolaire parallèle à la direction du dipôle

  • Réponse diffuse

  • Très affecté par les tissus

  • sensible à toutes orientations

  • sensible aux sources profondes

  • Appareillage moins cher

  • Mesure le champ magnétique

  • Réponse dipolaire perpendiculaire à la direction du dipôle

  • Réponse focale

  • Peu affecté par tissus cérébraux

  • Sélectif pour sources tangentielles

  • Peu sensible aux sources profondes

  • Appareillage coûteux


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

ANALYSE DES SIGNAUX


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Les différents rythmes

- alpha : 8 - 13 Hz (occipital)

- mu : 7 - 11 Hz (mouvement)

- beta : 18 - 30 Hz (moteur)

- gamma : 30 - 50 Hz

- delta : 0.5 - 4 Hz (sommeil)

Les signaux épileptiques

- pointes intercritiques

- EEG ictal (crise)

ANALYSE DES SIGNAUX : Activité spontanée


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

40 Hz

100 ms

ANALYSE FREQUENTIELLE

Analyse temps - fréquence des signaux

(Rodriguez et col., 1999, Tallon - Baudry)

Analyse des synchronies

Amplitude

Phase

Filtre + Ondelette

Lachaux,.(Human Brain Mapping, 1999)


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Moyennage synchronisé à 1 stimulus (Dawson 1937)

P100

N145

Les différentes réponses (latence et amplitude)

Nomenclature :

- Nxxx : onde EEG négative pointant à xxx ms

- Pxxx : onde EEG positive

- Mxxx : onde MEG ……..pointant à xxx ms

ANALYSE DES SIGNAUX : Potentiels évoqués


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Influence du nombre d ’essais

10 essais

50 essais

1 essai


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Influence du nombre d ’essais

400 essais

1600 essais

100 essais


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

TOPOGRAPHIE DES REPONSES MEG

Cartographie MEG :

Interpolation linéaire entre capteurs sur le casque

3D

2D


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

TOPOGRAPHIE DES REPONSES EEG

Cartographie EEG :

Interpolation entre capteurs par fonctions splines

Cartographie de la densité de courant :

I = - sDV avec D : laplacien de surface

Intérêts : * indépendant de la référence

* focales pour sources proches

* atténuation des sources profondes


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

LA LOCALISATION DES SOURCES DE L’EEG et LA MEG


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

IMAGERIE MEG-EEG : LOCALISATION

Reconstruire dans le temps et l ’espace les sources neuronales à l ’origine des signaux MEG et EEG mesurés en surface

Problème inverse

J?


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Problème direct :

  • géométrie complexe du milieu de conduction :

peau, os , LCR, cortex

Problème inverse :

  • peu de données

  • solution non unique

  • instabilité des solutions au bruit

LOCALISATION : Difficultés


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

PROBLEME DIRECT : les modèles de tête

Modèle sphérique

Modèle réaliste

inhomogène

Modèle réaliste

homogène par couches

Intégrales de frontière

Méthode des Eléments Finis

Méthode des Différences finies

inhomogènes ou anisotropes

Calcul analytique de B et V

Milieux isotropes et homogènes

B indépendant des conductivités

B dépend uniquement du centre de la sphère

Maillage surfacique

Maillage volumique

[Meijs et al, 1987, 1989]

[Marin, 1998]

[Lemieux, 1996]

[Hämäläinen & Sarvas, 1989]

[de Munck, 1988]

[Sarvas, 1987]


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

PROBLEME INVERSE : les approches

  • Approches dipolaires

    • Trouver un ou plusieurs dipôle(s) “équivalent(s)” dont les paramètres sont à estimer àpartir des données

  • OU

  • Imagerie de la densité corticale de courant

    • Estimation des amplitudes de dipôles de courant distribués au préalable sur la surface corticale (sources distribuées)


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

SOMESTHESIE

Paradigme : Stimulations sensitives des doigts (400 par doigt) en MEG

Droit

Gauche

Latence à 40 ms

Index

Petit Doigt


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire MEG


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

petit doigt

majeur

index

pouce

SOMESTHESIE : Somatotopie des doigts

Distance entre doigt ~ 0.9 cm

Distance I - V ~ 1.5 cm


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Contrôle

Patient

Dystonique

SOMESTHESIE : Application clinique


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

DESORGANISATION versus score clinique

S. Meunier, L. Garnero

B. Renault

M. Vidailhet,

Annals of Neurology,

2001


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

PE auditifs ou PEA

Dipôles de la N100

- Mise en évidence d ’une tonotopie :

variation de localisation avec la fréquence


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

PE auditifs ou PEA

Tonotopie en fonction de la fréquence


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

VISUEL : Rétinotopie du champ visuel

H

L

U

M110

Localisation du dipôle dépend de la position du stimulus dans le champ visuel


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire

  • Limitations

  • - Connaissance a priori du nombre de dipôles

  • - Nombre limité de régions actives

  • - Modèles adaptés aux composantes précoces

    • Quantification de l’extension spatiale problématique


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

PROBLEME INVERSE : Modèles distribués

Imagerie de la densité de courant corticale

  • Distribution de dipôles de courant à la surface du cortex

    • Proche du modèle physiologique

      • Il ne reste à estimer que l’amplitude des sources

      • G est fixée par la contrainte corticale de la position des sources

  • Les sources sont positionnées aux sommets du maillage cortical

  •  Très nombreuses ( 10 000 mini.)


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

PROBLEME INVERSE : Modèles distribués

Problème inverse mal posé

  • Il n’admet pas de solution unique

    • Imposé pas les lois de la Physique (von Helmoltz)

    • Trop d ’inconnues : problème indéterminé

  • La solution ne dépend pas continûment des données

    • Très sensible aux perturbations

  • régulariser le problème inverse


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Contrôle

Patient

SOMESTHESIE : quantification des aires

Main gauche


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

EPILEPSIE

Enregistrement MEG/EEG de l ’activité intercritique chez un patient épileptique

MEG

EEG


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

EPILEPSIE : Résultats de localisation MEG

Modèle distribué

Régions les plus souvent activées sur 23 pointes

Modèle dipolaire sur 23 pointes

1 dipôle par pointe


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

L

R

Imagerie dynamique

  • Localisation MEG (averaged spikes)


Introduction l imagerie c r brale fonctionnelle

Fusion MEG/EEG

  • Fusion MEG-EEG (averaged spikes)


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