IRMf : Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

fMRI: Functional Magnetic Resonance Imaging
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fMRI: Functional Magnetic Resonance Imaging

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April 30, 2023

Overview

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).

Procedure

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!

Transcript

Functional magnetic resonance imaging, or fMRI, is a now a widely used neuroimaging method for investigating human brain function and cognition. fMRI can be used to investigate both normal brain function and abnormal or diseased brain states.

This method makes use of strong magnets to create maps of brain activity by detecting changes in blood flow that are coupled to neuronal activation. This imaging technique has excellent spatial and good temporal resolution, and is noninvasive, since it does not require injections or involve exposing subjects to ionizing radiation.

This video will cover how fMRI signal is obtained, basic experimental design, fMRI acquisition, as well as basic data processing.

First, let’s take a look at how magnetic resonance imaging works. Essentially, MRI machines, or “scanners” are very strong electromagnets, typically 1.5 – 3 tesla (T), that use the magnetic properties of tissue in the body to create pictures.

When a patient or study participant is outside of the scanner, the hydrogen nuclei belonging to water molecules in tissue spin in a disordered fashion. When a magnetic field is applied, they become more ordered. When the subject within the magnetic field is exposed to oscillating radio frequency pulses, the angle of spinning nuclei transition from state to state and give off a signal read by the scanner to produce an image.

Functional MRI is possible because the hemoglobin within our blood has different magnetic properties depending on whether or not it is bound to oxygen. When de-oxygenated, it is “paramagnetic,” meaning that it causes a field inhomogeneity, or a slight disruption in the local magnetic field, that decreases the magnetic resonance signal obtained from surrounding tissue.

Taking advantage of this phenomenon, brain activation can be measured based on the how blood flow responds to neuronal activation. When neurons fire, their increased metabolism results in an influx of oxygenated blood, resulting in a decrease in the amount of deoxygenated hemoglobin in the region.

This results in more signal in the area surrounding the active neurons due to decreased inhomogeneity, and is referred to as Blood Oxygenated Level Dependent, or BOLD, signal.

The plot of the MRI signal, called the hemodynamic response function, looks like this, with the signal intensity in a region increasing after neuronal activation.

The scanner can be set up to image for this phenomenon using an image sequence sensitive to blood oxygenation. The entire brain volume needs to be imaged every few seconds, to capture the timing of the BOLD effect.

Like all scientific experiments, those involving fMRI begin by establishing a hypothesis. Then, a stimulus presentation pattern, or paradigm, should be designed to test the brain function of interest. Designs can range from a basic block paradigm, containing extended periods of stimulus exposure, to a more complex event-related design, in which stimuli are presented briefly and spaced out over the course of the trial.

Appropriate scan parameters that will work for the experimental design also need to be selected, using an MRI sequence sensitive to BOLD signal.

Before running any experiment on human subjects, approval from an ethics or institutional review board is required. Then, appropriate study participants can be recruited.

Before the scan, subjects must first be screened for MRI safety, and any participants with MRI counter-indications, like the presence of a cardiac pacemaking device, must be excluded. Written and informed consent must also be obtained, and all metallic items must be removed from the subject’s body.

Next, the nature of the experiment and the functional task directions should be reviewed, as subject performance is critical for robust results.

In the scanner room, hearing protection should be provided before placing the head coil with padding around the head to reduce motion. The stimulus presentation equipment also needs to be set up. Goggle or projector systems are often used for visual presentation, but other types of stimulus delivery equipment exist.

Once the subject is comfortable, the scanner bed is sent into the magnet bore. Then, the imaging sequences are set up, including a high-resolution anatomical scan to reregister to the functional scans.

The subject should be reminded of the task instructions, and the functional acquisition needs to be synchronized with the start of the task paradigm. This is critical, as the task timing needs to be matched with image acquisition timing for accurate BOLD measurements.

The subject should be monitored during the scan, and additional functional runs performed if necessary. Finally, the subject is helped out of the scanner and off the scanner bed.

The specific image processing method and software package used will vary depending on the experiment. In this video, we will go over common BOLD task based processing methods.

First, fMR data should be pre-processed to remove image artifacts and prepare it for statistical analysis. This involves slice time correction and motion correction, as well as co-registration to the anatomical image.

For group studies, normalization to a standard template space is often performed as well, so the brain areas and spatial coordinates can be compared across subjects.

Once data is prepped, statistical analysis is performed to locate regions with significant MR signal correlated with the stimulus or cognitive function that was tested. The general linear model is typically used to analyze task-based experiments. This model assumes that a BOLD signal was obtained that matches the expected hemodynamic response function, and convolves this function with the stimulus design.

Finally, a statistical threshold is selected to review results, which are typically displayed as a statistical parametric map, using a color coded scale to indicate statistically significant units of the image called “voxels,” which can be considered 3D pixels. Further analysis can be performed as needed.

Now that we’ve introduced how an fMRI experiment is designed, run, and analyzed, let’s look at some specific applications of this method. fMRI is used to gain understanding of ‘normal’ human brain function and cognition, such as motor, visual, and language processing, to name a few. Although these are seemingly basic functions, there is still much to be learned about these and many other cognitive processes.

In addition, fMRI can be used to investigate brain function in diseased brain states and psychological disorders. There are many active areas of research such as anxiety disorders, posttraumatic stress disorder, autism, and dementia.

fMRI can also be combined with other MR techniques or other types of imaging to further investigate brain functions, such as diffusion tensor imaging, electroencephalography or ‘EEG,’ and even transcranial magnetic stimulation, or ‘TMS.’

There are also resting state fMRI analysis techniques that can be used to investigate functional connectivity, such as independent component analysis and cross correlation analysis.

You’ve just watched JoVE’s video on functional MRI. This video covered how fMRI signal is obtained, basic fMRI study design, fMRI acquisition, BOLD fMR data processing, and applications.

We’ve learned that fMRI is a robust and non-invasive imaging technique that can be used to investigate many aspects of human brain function and cognition.

Thanks for watching, good luck with your experiments, and remember that MRI safety always comes first!