IRM fonctionnelle cérébrale BOLD Bases méthodologiques et critères de qualité Alexandre Krainik Clinique Universitaire de Neuroradiologie et IRM, CHU Grenoble, Grenoble – France Inserm.
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IRM fonctionnelle cérébrale BOLD Bases méthodologiques et critères de qualité Alexandre Krainik Clinique Universitaire de Neuroradiologie et IRM, CHU Grenoble, Grenoble – France Inserm U836 – Grenoble Institut des Neurosciences, Grenoble – France CHU Grenoble – SFR 1 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Monti, NEJM 2010 [email protected] [email protected] CHU Grenoble / UJF – France IRMf de l’émotion du saumon … mort Bennett CM, Baird AA, Miller MB, and Wolford GL. Neural correlates of interspecies perspective taking in the post-mortem Atlantic Salmon: an argument for multiple comparisons correction. 15th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, San Francisco, CA, June 2009 Bennett, OHBM meeting 2009 Faux positifs correction pour comparaisons multiples [email protected] [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Belliveau et al. Science 1991 [email protected] Miller. Science 2008 CHU Grenoble / UJF – France [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Bases physiologiques du signal BOLD • Susceptibilité magnétique χ – Proportion de « tissu magnétisé » sous B0 : ΔB = χ B0 – Gradient de champ entre tissus • [dHb] modifie la SM du sang = contraste endogène – – Composante intra-vasculaire Composante extra-vasculaire B0 B0 dHb HbO2 Ogawa, MRM 1990 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Bases physiologiques du signal BOLD Couplage neurovasculaire • Activité neuronale variation [dHb] • Réponse métabolique • Glycolyse • • CMRO2 • • • • (CMRGlc): +20-40% Délai : <1 sec [dHbart ] = 0% [Hbtot] CMRO2 = +40% [dHbven] = 40% [Hbtot] Iadecola, Nat Rev Neurosci 2004 Réponse hémodynamique • Délai : >1 sec • ↑ débit sanguin cérébral (DSC) : +20-70% • ↑ volume sanguin cérébral (VSC) : +5-30% [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Neural activity Neurovascular coupling arteriolar Cerebral blood flow a/c/v: 21/33/46% Harrison, 2002 Plateau CMRO2 venular OEF Initial dip Cerebral blood volume [dHb]vox Post-stimulus undershoot Signal BOLD [%] BOLD signal 3 Plateau VSC CMRO2 1 0 -1 [email protected] DSC BOLD 2 0 1 2 Initial dip 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Time [s] Post-stimulus undershoot CHU Grenoble / UJF – France Acquisitions : cahier des charges • BOLD : relation linéaire avec B0 … 1-5% – ≥ 1.5T Repos • Action Res. Contraste : sensibilité [dHb] – T2*-EG > T2-SE • TE : 30-50 msec • + : temps d’acquisition, faible diffusion • - : perte de signal à la base du crâne • Res. Temporelle : secondes – EPI, spiral,… • [TR : 2000-5000 msec] x n • + : temps d’acquisition • - : distorsion spatiale • Res. Spatiale : < 1cm ? – Vox : 2-4 mm de coté – Matrice : 64²-1282 [email protected] Cantin, EMC 2011 CHU Grenoble / UJF – France Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Résultats validés et reproductibles • PET Ramsey, JCBF 1996 • MEG Stippich, Neuroreport 1998 • Stimulations electriques peropératoires Lehericy, J Neurosurg 2000 • Wada test Hertz-Panier, Neurology 1997 • Lesions de l’AMS Krainik, Neurology 2001; Krainik, Neurology 2001 Krainik, Neurology 2003; Krainik, Neurology 2004 • Intervale de 1 cm autour du COM Bartos, Acta Neurochir 2009 • Reproductibilité intra-sujets et intercentres Zou, Neuroimage 2005 [email protected] Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011 CHU Grenoble / UJF – France IRM fonctionnelle en pratique clinique Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011 Preop [email protected] Postop CHU Grenoble / UJF – France Défi méthodologique Arthurs, Trends Neurosci 2002 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Points-clés de la qualité d’une IRMf BOLD L’IRMf ne cartographie pas l’activité neuronale directement Les résolutions temporelles et spatiales de l’IRMf n’ont rien à voir avec celles de l’activité neuronale • • • • • [email protected] L’IRMf cartographie les variations fonctionnelles d’oxygénation et de perfusion cérébrale Validation de la procédure Qualité et position des images Surveillance des performances Réduire les mouvements de la tête Evaluer les modifications de la perfusion CHU Grenoble / UJF – France Points-clés de la qualité d’une IRMf • • • • • Paradigmes et analyses validés Artéfacts de susceptibilité magnétique Exécution de la tâche Mouvements Fonction de perfusion [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Artéfacts de susceptibilité magnétique Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Artéfacts de susceptibilité magnétique • Ca++, hémorragie, os, foret, … • Cavernome, tumeur nécrotico-hémorragique, post-op,… Kim, AJNR 2005 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Artéfacts de susceptibilité magnétique Fluence verbale C. Delmaire, Lille [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Points-clés de la qualité d’une IRMf 1. Paradigmes et analyses validés 2. Artéfacts de susceptibilité magnétique – Visualisation des T2* natives – Superposition des activations sur les natives 3. Exécution de la tâche 4. Mouvements 5. Fonction de perfusion [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Points-clés de la qualité d’une IRMf 1. Paradigmes et analyses validés 2. Artéfacts de susceptibilité magnétique 3. Exécution de la tâche – – – – Explication des tâches avant l’examen Re-explication des tâches pendant l’examen Renforcement positif IRMf temps-réel 4. Mouvements 5. Fonction de perfusion [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Points-clés de la qualité d’une IRMf • • • • • Paradigmes et analyses validés Artéfacts de susceptibilité magnétique Exécution de la tâche Mouvements Fonction de perfusion [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Artéfacts de mouvements [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Points-clés de la qualité d’une IRMf 1. 2. 3. 4. Paradigmes et analyses validés Artéfacts de susceptibilité magnétique Exécution de la tâche Mouvements – – – – – Explication Contention Confort Prévenir avant chaque dialogue Post-traitement 5. Fonction de perfusion [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Points-clés de la qualité d’une IRMf • • • • • Paradigmes et analyses validés Artéfacts de susceptibilité magnétique Exécution de la tâche Mouvements Fonction de perfusion [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Faux négatifs en IRMf • ↓ activations périlésionnelles interprétation difficile Holodny 2000, Schreiber 2000, Fujiwara 2004, Ulmer 2004, Liu 2005, Ludemann 2006, Chen 2008 Cohen, JCBF 2002 • Perfusion basale Main Gauche A Main Droite B DSC C Hypercapnie D Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Hétérogénéités de la réponse BOLD Altérations de la vasoréactivité cérébrale Krainik, Stroke 2005 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Hétérogénéités de la réponse BOLD Altérations de la vasoréactivité cérébrale Preop Lèvres Preop Hypercapnie Postop Lèvres Postop Hypercapnie Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France • BOLD signal time-courses in SM1 Jiang, Neuroimage 2010 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Zones Epileptogènes BOLD modélisé EEG Activation X Déactivation F. Grouiller, O David – GIN [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Zones Epileptogènes F. Grouiller, L. Vercueil, O David – GIN [email protected] [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Hétérogénéités de la réponse BOLD Optimisation de la réponse hémodynamique Epilepsie absence p<0.01 (FDR) Grouiller, HBM 2009 [email protected] [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Points-clés de la qualité d’une IRMf 1. 2. 3. 4. 5. Paradigmes et analyses validés Artéfacts de susceptibilité magnétique Exécution de la tâche Mouvements Fonction de perfusion 1. Perfusion basale 2. Vasoréactivité cérébrale [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Vers l’IRMf de la perfusion • D’un problème vers une solution (serendipity) • IRMf évaluer la réponse de perfusion à un stimulus vasomoteur • Cartographier le couplage neurovasculaire • Cartographier la vasoréactivité cérébrale en clinique – – – – Pathologie sténo-occlusive Neuro-oncologie Pathologie neurodégénérative Epilepsie,…. [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Imagerie de la vasoréactivité en pathologie sténo-occlusive DSC – CBV Sténose de l’ACM droite DSC – CBF Hemiparesie gauche transitoire BOLD CO2 Altération de la réserve vasculaire Zyieh, Stroke 2005; Haller Radiology 2008 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Imagerie de la vasoréactivité dans les MAV MAV pariétale D Hémiparesie gauche BOLD CO2 Phénomène de vol [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Imagerie de la vasoréactivité dans la maladie d’Alzheimer Vasoréactivité BOLD PVC+ Cantin, in revision [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Imagerie de la vasoréactivité dans la maladie d’Alzheimer T MA abec100210 MCI T cham120109 MA curc210408 MCI MA hugr160310 MA lecj160209 pMA gina020608 rocd090310 T dano160408 MCI chos030308 dorm260508 MA jouc241109 clag171109 T cayo250509 lefr270410 pMA pMA T cham070108 MA bera010410 berm010410 317=129 140 163 [email protected] [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Pour conclure,… Castriota-Scanderbeg, Neuroimage 2005 [email protected] Le Bihan, Phys Med Biol 2007 CHU Grenoble / UJF – France Collaborations • CU Neuroradiologie - IRM – – – – – • Plateforme IRM Corps entier – – – – • • Dominique Hoffmann Eric Seigneuret Olivier Palombi Stephan Chabardes Emmanuel Gay CU anatomo-pathologie – Caroline Salon [email protected] • Pierre Deman Jean-François Adam François Estève GIN7 – • Emilie Chipon Marjorie Villien Olivier David Jan Warnking Emmanuel Barbier Christoph Segebarth GIN6 – – – CU Neurologie Olivier Moreaud Armelle Memin Pierre Pollak Laurent Vercueil Lorella Minotti Philippe Kahane GIN5 – – – – – – • – – – – – – • Irène Troprès Laurent Lamalle Emilie Cousin Assia Jaillard CU Neurochirurgie – – – – – • Zhen Jiang Stéphane Cantin Sylvie Grand Manipulateurs Jean-François Le Bas François Berger Clinatec … – Alim-Louis Benabid CHU Grenoble / UJF – France