IRM fonctionnelle cérébrale BOLD Bases méthodologiques, critères de qualité, perspectives Alexandre Krainik Clinique Universitaire de Neuroradiologie et IRM, CHU Grenoble, Grenoble – France Inserm.
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IRM fonctionnelle cérébrale BOLD Bases méthodologiques, critères de qualité, perspectives 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 Belliveau et al. Science 1991 [email protected] Miller. Science 2008 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] CHU Grenoble / UJF – France REST ACTION Cantin, EMC 2011 [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 Bases physiologiques du signal BOLD 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 CBF BOLD CMRO2 CBV 2 1 0 -1 [email protected] 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 Acquisition : 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 Acquisition : procédure clinique 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 per-opératoires Lehericy, J Neurosurg 2000 Krainik, Neurology 2001 • Wada test Hertz-Panier, Neurology 1997 • Lesions de l’AMS 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 Cartographie pré-opératoire Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011 Preop Postop IRMf épilepsie chronique (87 patients) : modification de la PEC 20% des patients (Kherraf et al. SFNR 2012) [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Evaluation de la conscience Monti, NEJM 2010 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Points-clés de l’interprétation de l’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 Critères de 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 Critères de 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 Critères de 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 Etude comportementale IRMf temps-réel 4. Mouvements 5. Fonction de perfusion [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Critères de 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 Mouvements périodiques [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Critères de 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 Critères de 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 Fonctions vasculaires et IRM Gaz circulants CO2 Activité neuronale O2 Vasoréactivité Pression de perfusion = PAM-PIC Autorégulation CNV artériolaire ASL Débit sanguin cérébral veinulaire CMRO2 OEF Volume sanguin cérébral VASO, VSI [dHb]vox a/c/v: 21/33/46% Harrison, 2002 IRMfq BOLD- ASL [email protected] Signal BOLD IRMf BOLD CHU Grenoble / UJF – France Perfusion basale • ↓ 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 Vasoréactivité cérébrale Krainik, Stroke 2005 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Vasoréactivité cérébrale Preop Lèvres Preop Hypercapnie Postop Lèvres Postop Hypercapnie Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Vasoréactivité cérébrale Jiang, Neuroimage 2010 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Critères de 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 Perspectives : vers l’IRMf de 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 Etude des modifications physio-pathologiques : AVC ronp310311 Dissection et sténose ACI G AVC profond G [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Etude des modifications physio-pathologiques : AVC Attye, in preparation [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Etude des modifications physio-pathologiques : MAV • CVR diminuée = meilleur prédicteur du statut épileptique • Congestion veineuse plutôt que phénomène de vol • Pas de contrôle de la perfusion basale… Fiestra, Brain 2011 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Etude des modifications physio-pathologiques : Alzheimer Perfusion basale ASL Johnson, Radiology 2005 Vasoréactivité Xenon CT Acetazolamide Oishi, J Clin Neurosci 1999 AD ASL Du, Neurology 2006 Doppler Trans-crânien Apnée Silvestrini, Stroke 2006 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Perspectives : vers l’IRMf de perfusion M. Alzheimer Vasoréactivité BOLD PVC+ Cantin, Neuroimage 2011 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Perspectives : vers l’IRMf de perfusion M. Alzheimer Vasoréactivité BOLD (CVP+) Coefficient de corrélation Cingulum Frontal Insula Occipital Parietal Striatum Temporal Thalamus 0.65 (<0.001)* 0.53 (<0.01) 0.58 (<0.01) 0.64 (<0.001) 0.60 (0.001) 0.63 (<0.001) 0.65 (<0.001) 0.59 (0.001) MMSE Hippocampal atrophy -0.41 (0.04) -0.26 (0.19) -0.29 (0.14) -0.44 (0.02) -0.40 (0.04) -0.41 (0.03) -0.44 (0.02) -0.30 (0.13) Cantin, Neuroimage 2011 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Perspectives : vers l’IRMf de perfusion M. Alzheimer Vasoréactivité BOLD (CVP-) Cantin, Neuroimage 2011 [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Etude des modifications physio-pathologiques : Parkinson • 20 patients 10 patients – • 12 controls 8 controls – • 2 women, 8 men; age range: 44–67 years, mean: 58 years 2 women, 6 men; age range: 48–69 years, mean: 61 years IRM 3T BOLD – carbogen 7% – – OFF – L-DOPA (12h) ON – L-DOPA (1h30) ROI GM Whole-brain GM+WM [email protected] Sahin, ECR 2012 CHU Grenoble / UJF – France Parkinson’s disease [email protected] Sahin, ECR 2012 CHU Grenoble / UJF – France Pour conclure,… Castriota-Scanderbeg, Neuroimage 2005 [email protected] Le Bihan, Phys Med Biol 2007 CHU Grenoble / UJF – France Pour conclure,… • Consider BOLD fMRI as it is, a functional imaging technique – Map functional change in perfusion and oxygenation to particular stimuli – Pros and cons of functional stimulus: relevance, perception, performance – Pros and cons of this imaging technique: resolutions, artifacts • To be useful in medicine, remain a radiologist – – – – – – Knowledge in medicine Knowledge in anatomy Knowledge in pathophysiology Knowledge in imaging Knowledge in postprocessing Master examination workflow • Don’t stay alone and ask for help and advices [email protected] CHU Grenoble / UJF – France Collaborations • Neuroradiology and MR unit – – – – – – – • Neurosurgery – – – – – • Sylvie Grand Jean-François Le Bas Irène Troprès Laurent Lamalle Emilie Cousin Assia Jaillard Technicians Dominique Hoffmann Eric Seigneuret Olivier Palombi Stephan Chabardes Emmanuel Gay • – – – – – Neurology – – – – – – Olivier Moreaud Armelle Memin Laurent Vercueil Paul Krack Lorella Minotti Philippe Kahane • Pathology – Caroline Salon [email protected] Marjorie Villien Julien Bouvier Olivier David Jan Warnking Emmanuel Barbier GIN6 – – – • • GIN5 Pierre Deman Jean-François Adam François Estève Clinatec … – – François Berger Alim-Louis Benabid CHU Grenoble / UJF – France