IRMf: Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

Neuroscience

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Summary

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une technique de neuroimagerie utilisée pour étudier la fonction et la cognition du cerveau humain chez les individus sains et chez les populations avec des cerveaux en états anormaux. L’IRM fonctionnelle utilise un signal de résonance magnétique pour détecter les changements dans le flux sanguin qui sont liés à l’activation neuronale lorsqu’une tâche spécifique est réalisée. Ceci est possible parce que l’hémoglobine à l’intérieur du sang a différentes propriétés magnétiques en fonction de si elle est liée à de l’oxygène ou non. Lorsqu’une certaine tâche est réalisée, il y a un influx de sang oxygéné vers les régions du cerveau responsables de cette fonction, et cet influx peut alors être détecté avec le scanner IRM paramétré spécifiquement. Ce phénomène est appelé l’effet BOLD pour Blood Oxygen Level Dependent et peut être utilisé pour créer des cartes de l’activité du cerveau.

Cette vidéo commence avec un bref aperçu de comment le signal IRM et IRMf est obtenu. Ensuite, la conception expérimentale de base est vue, ce qui implique de tout d’abord paramétrer la présentation d’un stimulus qui est spécifiquement conçu pour tester la fonction qui va être cartographiée. Ensuite, les étapes clés impliquées dans la réalisation d’un scan d’IRMf sont introduites, incluant les questions de sécurité et le paramétrage du scanner. Les étapes habituelles du traitement des données sont alors présentées, incluant la préparation et l’analyse statistique avec le modèle linéaire général. Finalement, quelques utilisations spécifiques de l’IRMf sont passées en revue, telles que les études de fonctionnement anormal dans les maladies psychologiques, et la combinaison de l’IRMf en complément des modalités d’imagerie, tel que l’imagerie en tenseur de diffusion (DTI).

Cite this Video

JoVE Science Education Database. L’essentiel de la Neuroscience. IRMf: Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou IRMf, est maintenant une méthode de neuroimagerie largement utilisée pour étudier les fonctions et la cognition du cerveau humain. L’IRMf peut être utilisée pour étudier aussi bien la fonction d’un cerveau normal et anormal ou malade.

Cette méthode utilise des aimants puissants pour créer des cartes de l’activité du cerveau en détectant les changements dans le flux sanguin qui sont couplés à l’activation neuronale. Cette technique d’imagerie a une résolution spatiale excellente et une résolution temporelle bonne, elle est non-invasive, vu qu’elle ne nécessite pas d’injections ou d’exposition à des radiations ionisantes.

Cette vidéo couvre comment un signal d’IRMf est obtenu, la conception expérimentale de base, l’acquisition d’IRMf ainsi que le traitement des données de base.

Tout d’abord, regardons comment l’imagerie par résonance magnétique fonctionne. Fondamentalement, les machines IRM, ou « scanneurs », sont des électroaimants très puissants, typiquement de 1,5 à 3 teslas (T), qui utilisent les propriétés magnétiques des tissus du corps pour créer des images.

Lorsqu’un patient ou un participant à une étude est en dehors du scanneur, les noyaux d’hydrogène appartenant aux molécules d’eau dans les tissus sont en rotation de façon désordonnée. Lorsqu’un champ magnétique est appliqué, ils deviennent plus ordonnés. Lorsque le sujet à l’intérieur du champ magnétique est exposé à des impulsions oscillantes aux fréquences radio, l’angle de spin des noyaux évolue d’état en état et donne un signal lu par le scanneur pour produire une image.

L’IRM fonctionnelle est possible parce que l’hémoglobine à l’intérieur de notre sang a différentes propriétés magnétiques en fonction de si elle est liée à l’oxygène ou non. Lorsqu’elle est désoxygénée, elle est « paramagnétique », c’est-à-dire qu’elle provoque un champ non homogène, ou une perturbation faible dans le champ magnétique local, qui diminue le signal de résonance magnétique obtenu depuis les tissus environnants.

En profitant de ce phénomène, l’activité du cerveau peut être mesurée sur base de comment le flux sanguin répond à l’activation neuronale. Lorsque les neurones s’activent, leur métabolisme augmente ce qui résulte en un flux de sang oxygéné entrant, résultant en une diminution de la quantité d’hémoglobines désoxygénées dans la région.

Cela résulte en plus de signaux dans la zone environnant les neurones actifs à cause de la diminution de non homogénéité, et est référencé comme le signal BOLD pour Blood Oxygenated Level Dependent.

Le graphique du signal IRM, appelé la fonction de réponse hémodynamique, ressemble à ceci, avec l’intensité du signal dans une région augmentant après l’activation neuronale.

Le scanneur peut être paramétré pour imager ce phénomène en utilisant une séquence d’images sensibles à l’oxygénation du sang. Le volume entier du cerveau doit être imagé toutes les quelques secondes, pour capturer le timing de l’effet BOLD.

Comme toutes expériences scientifiques, celles impliquant l’IRMf commencent par l’établissement d’une hypothèse. Ensuite, un schéma de présentation de stimulus, ou paradigme, doit être conceptualisé pour tester la fonction d’intérêt du cerveau. Les schémas peuvent aller d’un modèle de bloc basique, contenant des périodes étendues d’exposition au stimulus, à un schéma relatif à l’évènement plus complexe, dans lequel des stimuli sont présentés brièvement et espacés tout au long du test.

Des paramètres de scan appropriés qui fonctionneront pour la conception expérimentale ont aussi besoin d’être sélectionnés, en utilisant une séquence IRM sensible au signal BOLD.

Avant d’exécuter une expérience sur des sujets humains, l’approbation d’un comité d’examen éthique ou institutionnel est requise. Seulement ensuite, des participants appropriés à l’étude peuvent être recrutés.

Avant le scan, les sujets doivent d’abord être interrogés pour leur sécurité, et tous les participants avec des contre-indications à l’IRM, comme la présence d’un pacemaker, doivent être exclus. Un consentement écrit et avisé doit aussi être obtenu, et tous les éléments métalliques doivent être retirés du corps du sujet.

Ensuite, la nature de l’expérience et les instructions sur les tâches doivent être passées en revue avec le sujet, vu que sa performance est critique à l’obtention de résultats robustes.

Dans la pièce du scanneur, des protections auditives doivent être fournies avant de placer le repose tête avec des rembourrages autour de la tête pour réduire le mouvement. L’équipement de présentation du stimulus doit aussi être paramétré. Des lunettes ou un système de projection sont souvent utilisés pour les présentations visuelles, mais d’autres types d’équipements de livraison de stimulus existent.

Une fois que le sujet est confortablement installé, le lit du scanneur est envoyé dans le puits de l’aimant. Ensuite, les séquences d’imagerie sont paramétrées, incluant un scan anatomique de haute résolution pour réinscrire les scans fonctionnels.

Il faudra rappeler au sujet les instructions et l’acquisition fonctionnelle nécessite d’être synchronisée avec le début du modèle de tâche. Ceci est important, vu que le timing de la tâche doit correspondre avec le timing d’acquisition d’images pour des mesures BOLD précises.

Le sujet doit être surveillé pendant le scan, et des analyses fonctionnelles additionnelles doivent être réalisées si nécessaire. Finalement, le sujet est aidé pour sortir du scanneur et hors du lit.

La méthode spécifique de traitement des images et le software utilisé vont varier en fonction de l’expérience. Dans cette vidéo, nous survolerons les tâches BOLD habituelles basées sur des méthodes de traitement.

Tout d’abord, les données d’IRMf doivent être prétraitées pour retirer les artéfacts et les préparer pour l’analyse statistique. Ceci implique des corrections de temps et de mouvement, ainsi que le co-enregistrement de l’image anatomique.

Pour des études de groupes, la normalisation à un espace de modèle standard est également souvent réalisée, de manière à ce que les zones du cerveau et les coordonnées spatiales puissent être comparées sur tous les sujets.

Une fois que les données sont préparées, l’analyse statistique est réalisée pour localiser les régions avec un signal de RM significatif corrélé avec les stimulus ou avec la fonction cognitive qui était testée. Le modèle linéaire général est typiquement utilisé pour analyser les expériences basées sur la tâche. Ce modèle part du principe que le signal BOLD obtenu correspond à la fonction de réponse hémodynamique attendue, et fait correspondre cette fonction avec le dessin du stimulus.

Finalement, un seuil statistique est sélectionné pour passer en revue les résultats, qui sont typiquement présentés sous forme d’une carte paramétrique statistique, utilisant une échelle avec un code couleur pour indiquer les unités statistiquement significatives de l’image appelée « voxel », qui peut être considérée 3D pixels. Des analyses en aval peuvent être réalisées si nécessaire.

Maintenant que nous avons introduits comment une expérience d’IRMf est conçue, réalisée et analysée, regardons quelques utilisations spécifiques de cette méthode. L’IRMf est utilisée pour élargir la compréhension des fonctions et de la cognition du cerveau humain « normal », comme le mouvement, la vision et le traitement du langage, pour en nommer quelques unes. Bien que celles-ci soient des fonctions apparemment basiques, il y a encore beaucoup à apprendre à leur sujet et sur beaucoup d’autres procédés cognitifs.

De plus, l’IRMf peut être utilisée pour investiguer la fonction du cerveau dans les cerveaux malades et psychologiquement perturbés. Il y a de nombreuses zones actives de recherche comme les troubles d’anxiété, les troubles de stress post-traumatiques, l’autisme et la démence.

L’IRMf peut aussi être combinée avec d’autres techniques de RM ou d’autres types d’imagerie pour des études plus en profondeur des fonctions du cerveau, comme l’imagerie en tenseur de diffusion, l’électroencéphalographie ou EEG et même la stimulation magnétique trans-crânienne ou TMS.

Il y a aussi les techniques d’analyse IRMf au repos qui peuvent être utilisées pour étudier la connectivité fonctionnelle, comme l’analyse de composés indépendants et des analyses de corrélation croisées.

Vous venez de regarder la vidéo de JoVE sur l’IRM fonctionnelle. Cette vidéo a présenté comment le signal IRMf est obtenu, la conception d’une étude basique d’IRMf, l’acquisition, le traitement des données BOLD et ses utilisations.

Nous avons appris que l’IRMf est une technique d’imagerie robuste et non-invasive qui peut être utilisée pour étudier de nombreux aspects des fonctions du cerveau humain et de la cognition.

Merci de nous avoir regardés, bonne chance avec votre expérience et souvenez-vous que la sécurité face à l’IRM est toujours prioritaire!

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