Plan

1. Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

2. Plan • De l’IRM à l’IRM fonctionnelle • Principe de l’IRM • De l’activation cérébrale à l’effet BOLD • Traitement des images • Comparaison IRMf / TEP • Applications • Sciences cognitives • Milieu médical Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

3. Applications De l’IRM à l’IRMf La Résonance Magnétique Nucléaire • Spin de l’Hydrogène orienté aléatoirement • Alignement selon dans la direction du champs B0 • Rotation à une fréquence proportionnelle à B0 B0 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

4. Applications De l’IRM à l’IRMf La Résonance Magnétique Nucléaire • Champs électrostatique à la fréquence de Larmor → Résonance • Emission radio : → FID (Free Induction Decay ) Relaxation Précession Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

5. Applications De l’IRM à l’IRMf t Le signal FID • Signal pseudo périodique • fréquence de Larmor • décroissance dépendante de T1 et T2 • T1 et T2 caractéristiques des tissus (concentration en hydrogène) → IRM Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

6. Applications De l’IRM à l’IRMf Table d’examen Fonctionnement de l’IRM Tunnel IRM • Champs magnétique élevé entre 1 et 3T • Génération des séquences d’acquisition • Signal FID • Traitement du signal • Image Aimant Permanent Spires de Gradient Spires RF Spires RF Spires de Gradient Aimant Permanent PC Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

7. Applications De l’IRM à l’IRMf L’activité cérébrale • tâche cognitive (langage, mémoire, perception…) → activité des neurones • propagation de potentiels d’action • besoins énergétiques : ATP www.expasy.org Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

8. Applications De l’IRM à l’IRMf Régénération de l’ATP Métabolisme du glucose +2 ATP GLUCOSE PYRUVATE Aérobiose (présence d’oxygène) +36 ATP Anaérobiose (absence d’oxygène) Glycolyse anaérobie (sans oxygène) Cycle de Krebs : CO2, H2O ACIDE LACTIQUE => Efficacité optimale en présence de glucose ET d’oxygène Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

9. Applications De l’IRM à l’IRMf Activité neurones La réponse hémodynamique Consommation oxygène Libération de dioxyde de carbone (CO2) Le CO2 est un vasodilatateur Dilatation des vaisseaux Réponse hémodynamique : afflux important de sang dans la zone activée Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

10. Applications De l’IRM à l’IRMf Propriétés magnétiques du sang (1/4) • Transport du glucose et de l’oxygène effectué par le sang • Composition du sang : • plasma (mélange d’eau et de protéines) • globules rouges (entre 40 et 50%) • Les globules rouges contiennent l’hémoglobine Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

11. Applications De l’IRM à l’IRMf Propriétés magnétiques du sang (2/4) • L’hémoglobine transporte l’oxygène aux tissus • Hémoglobine sous deux formes : • Oxyhémoglobine HbO2 (contient de l’oxygène) → sang oxygéné • Désoxyhémoglobine dHb (ne contient plus d’oxygène) → sang non oxygéné Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

12. Applications De l’IRM à l’IRMf Propriétés magnétiques du sang (3/4) • Sang oxygéné et sang non oxygéné : pas les mêmes propriétés magnétiques • Hémoglobine contient 4 hèmes dHb HbO2 (Absence d’oxygène) (Présence d’oxygène) E 4 électrons célibataires Désoxyhémoglobine paramagnétique Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

13. Applications De l’IRM à l’IRMf Propriétés magnétiques du sang (4/4) Susceptibilité magnétique : capacité à réagir à l’action d’un champ magnétique Base de l’effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant): Différence de susceptibilité magnétique entre les milieux intra et extra vasculaires lorsque le sang est non oxygéné Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

14. Applications De l’IRM à l’IRMf Le signal BOLD (1/3) Désoxyhémoglobine Différence de susceptibilité magnétique Inhomogénéités locales de champ magnétique (champ magnétique perturbé) Courant induit FID (Free Inductance Decay) T2* t Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

15. Applications De l’IRM à l’IRMf Le signal BOLD (2/3) • Sang oxygéné => T2* élevé => image plus intense • Sang non oxygéné =>T2* faible => image moins intense REPOS ACTIVATION HbO2 dHb • Augmentation du flux sanguin • Diminution de la concentration en désoxyhémoglobine (dHb) • Augmentation du signal T2*  Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

16. Applications De l’IRM à l’IRMf Signal BOLD t (sec) ~ 5 sec STIMULUS Le signal BOLD (3/3) • Délai de 3 à 6 secondes avant la réponse hémodynamique • Allure du signal BOLD : Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

17. Récapitulatif Consommation Glucose, O2 Libération CO2 Vasodilatation Activité cérébrale Augmentation du débit sanguin riche en O2 Baisse de la concentration du sang désoxygéné Augmentation du signal T2*

18. Applications De l’IRM à l’IRMf Examen IRMf http://psychologie.u-strasbg.fr/documentation/CBonnet/TD1.pdf Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

19. Applications De l’IRM à l’IRMf Difficultés Solutions : Réalignement, Lissage (Filtrage Gaussien), Modèle Linéaire Généralisé (GLM) • Intra-patient : • Mouvements de tête • Cerveau multitâche • Bruit • Inter-patients : les cerveaux n’ont pas la même forme! Solution : Normalisation Spatiale Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

20. Applications De l’IRM à l’IRMf Le réalignement • Exemple : Recalage Rigide • Translations et Rotations • Calcul des barycentres • Translation selon le vecteur défini par les 2 barycentres • Rotation minimisant la somme des carrés des distances entre points correspondants (CISG Kings College, Londres, http://www.image-registration.com/) Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

21. Applications De l’IRM à l’IRMf Le filtrage gaussien Lissage par noyau de Gauss : http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/ → Moyenne pondérée de chaque voxel en relation avec les voxels voisins →Amélioration du rapport Signal à Bruit Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

22. Applications De l’IRM à l’IRMf Normalisation spatiale Atlas de Talairach-Tournoux: Marqueurs permettant la transformation www.neurorgs.com Atlas (différentes configurations) www.neurorgs.com Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

23. Applications De l’IRM à l’IRMf Exemple de transformation dans l’espace de Talairach Après normalisation Avant normalisation www.neurorgs.com

24. Applications De l’IRM à l’IRMf Photon gamma positron électron Photon gamma TEP : principe • Injection d’un traceur radioactif (Oxygène 15) • Fixation du traceur au niveau des tissus consommant beaucoup d’oxygène => régions cérébrales actives du cerveau Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

25. Applications De l’IRM à l’IRMf Comparaison TEP / IRMf (1/2) Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

26. Applications De l’IRM à l’IRMf Comparaison TEP / IRMf (2/2) → Complémentarité des deux techniques Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

27. Applications De l’IRM à l’IRMf Les applications • Sciences cognitives • Médecine www.dcsc.tudelf.nl Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

28. Applications De l’IRM à l’IRMf Applications cognitives (1/2) • Sciences cognitives : visent à relier les fonctions cognitives supérieures avec leur composante biologique, les neurones. • Exemples d’application: • Localisation des aires du langage • Conscience • Mémoire • Imagerie mentale • Localisation du cortex moteur • Cortex visuel et auditif • Réponse émotionnelle aux odeurs • Émotions qui interviennent dans les jugements moraux • Détecteurs de mensonges • Etc. Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

29. Applications De l’IRM à l’IRMf Centre du langage articulé Centre de la compréhension des mots écrits Centre de la compréhension des mots parlés Aire sensitive Aire motrice Aire auditive Aire visuelle Zone olfactive Applications cognitives (2/2) www.medecine-et-santé.com Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

30. Applications De l’IRM à l’IRMf Calcul mental • Zones actives lors d’un calcul complexe • Vert: zones actives chez tous les individus • Rouge: zones actives uniquement chez un prodige www.cea.fr Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

31. Applications De l’IRM à l’IRMf Images subliminales • Image subliminale: ne peut pas être perçue de façon consciente • Aires cérébrales sollicitées: • celles au processus de lecture • mais avec une intensité réduite • Activation des zones cérébrales permet au sujet de reconnaître ultérieurement le mot présenté de façon plus rapide www.dsv.cea.fr Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

32. Applications De l’IRM à l’IRMf Applications en médecine • IRMf: non invasif • Développement normal et pathologique chez les enfants • Suivi de l’évolution des maladies • Principales applications cliniques: • Cartographie fonctionnelle pré-opératoire du cerveau • Suivi de la récupération cérébrale après un AVC • Étude de l’efficacité de médicaments neuro ou psychotropes • Localiser les foyers propres à l’épilepsie • Évaluer les déficits cognitifs dans les pathologies liées au vieillissement • Etc. Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

33. Applications De l’IRM à l’IRMf Cartographie fonctionnelle pré-opératoire • Localisation des aires fonctionnelles majeures • Motricité • Aires du langage • Vision • Mémoire → épargner ces zones lors d’une intervention chirurgicale • IRMf: non invasif → remplace avantageusement les techniques invasives actuellement utilisées www.musc.edu Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

34. Applications De l’IRM à l’IRMf Détection précoce de l’Alzheimer (1/5) • Maladie neurodégénérative qui détruit les cellules cérébrales de façon lente et insidieuse • Symptômes: • Perte de la mémoire à court terme • Difficulté d’expression • Troubles concernant les mouvements et les déplacements • Difficulté de reconnaissance d’autrui • Etc. • En France, plus de 3% des personnes de plus de 65 ans sont touchées par l’Alzheimer Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

35. Applications De l’IRM à l’IRMf Détection précoce de l’Alzheimer (2/5) • Avant diagnostique • Déclin de la mémoire dû à une lente progression pathologique • Extension aux dommages neuropathologiques avant le diagnostique clinique → Importance de la détection précoce de l’Alzheimer pour le traitement de la maladie dès ses premiers stades • Chez l’homme: impossible de détecter l’origine de la maladie in vivo → IRMf Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

36. Applications De l’IRM à l’IRMf Détection précoce de l’Alzheimer (3/5) • Différence d’activation cérébrale entre les sujets atteints d’Alzheimer et les sujets sains pour un exercice de mémoire: www.medscape.com Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

37. Applications De l’IRM à l’IRMf Détection précoce de l’Alzheimer (4/5) • Expérience IRMf détection précoce: • 30 adultes sains âgés de 47 à 82 ans • Évaluation comportementale avant l’IRMf: sujets présentent une capacité de mémoire dans la norme selon leur âge • A l’intérieur du scanner: test sur la mémoire déclarative • Résultats: certains sujets présentent une activation neuronale beaucoup plus importante que les autres → prédiction d’un déclin de la mémoire? Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

38. Applications De l’IRM à l’IRMf Détection précoce de l’Alzheimer (5/5) • Deux ans plus tard: réévaluation de la mémoire des sujets déjà examinés → changements de l’activité fonctionnelle neuroanatomique avant même que le déclin de la mémoire ne se manifeste • Bilan : IRMf semble pouvoir différencier les personnes qui vont ou ne vont pas développer la maladie d’Alzheimer • Résultats à approfondir Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

39. Conclusion • Technique prometteuse • Meilleure connaissance : • Des fonctions cognitives • Des maladies neuropathologiques • Problème : on ne connait pas encore les effets secondaires à moyen terme de l’exposition au champ magnétique Lina Nasr, Sabine Donzé,Louis Houël Département Signal et Télécommunications

40. ? Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications