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Cours 19/08/2003 Ecole Temps et Cerveau LENA - UPR 640 CNRS

Introduction à l’Imagerie Cérébrale Fonctionnelle :

Line GarneroLaboratoire de Neurosciences Cognitives & Imagerie Cérébrale

CNRS UPR640

Centre de Magnétoencéphalographie

Philippe CiuciuUNAF/ CEA SHFJ

Orsay


• Imagerie Cérébrale Fonctionnelle

• Principes physiologiques

•Les différentes techniques - principes physiques - analyse des données

•Applications - Neurologie - Sciences Cognitives

Sommaire


Imagerie Cérébrale Fonctionnelle

• Etude du cerveau en action

•Répondre aux questions Où et Quand ?

•Domaine de Recherche entre Sciences de la Vie et Physique, Mathématiques et Informatique

•Applications : recherche en Sciences Cognitives• : recherche clinique (neurologie)


Les différentes méthodes

Méthodes invasives

- imagerie optique (chez l’animal) - électrodes intracérébrales (animal et patients)

Méthodes non invasives

- imagerie métabolique et hémodynamique (TEP et IRMf) - imagerie électrique et magnétique (MEG et EEG)

- étude de déficits en corrélation avec des lésionsNeuropsychologie


Propriétés de diverses techniques d’investigation cérébrale

Propriétés de diverses techniques d’investigation cérébrale

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

milliseconde seconde minute heure jour

non-invasif invasif

cerveau

aire

colonne

couche

neurone

dendrite

synapse

Log Temps (sec)

LogRésolution(mm)

MEG+PE

IRM

TEP lésions

imagerieoptique

microscopie

potentiels de champs locauxmicrolésions

2-déoxyglucose


Historique

1850 : Etude des lésions (Aire de Broca)

1929 : Premier EEG (Hans Berger)

1968 : Premières mesures en MEG

1972 : Tomographie par Emission de Positons TEP

1980 – 89 : Essor de la TEP

1990 : Apparition de l’IRM fonctionnelle

1990- : Commercialisation de systèmes MEG


Bases physiologiques de l’ I. C. F.

MétabolismeSynthèse d’ATPconsommation de

Glucose et O2

EEG - MEG

PPSE - PPSIIntracellulaire ou

extracellulaire

HémodynamiqueDéoxygénationAugmentation

Du Débit Sanguin

TEP

TEP

IRMf

NeuronalPotentiel d’action

D’après B. Mazoyer


Electroencéphalographie (EEG) et Magnétoencéphalographie (MEG)

EEG : mesure du Potentiel électrique.Ordre de grandeur : quelques microvolts

Capteurs : électrodesAppareillage très répandu

Mesurent l ’activité électrique neuronaleImagerie non invasiveRésolution temporelle ~1ms

MEG : mesure du champ magnétique.Ordre de grandeur : 10-13 tesla

Capteurs : SQUID couplés à des bobinesAppareillage très coûteux


ORIGINE DU SIGNAL MEG et EEG


Dipôle de courant microscopique Q = I x d = 20 fAmDurée 10ms

I

Potentiel Postsynaptique

Potentiel d ’action

2 courants opposés :front de polarisation + dépolarisationDurée 1msQuadrupôle : Décroissance en 1/r3

POTENTIELS NEURONAUX


POTENTIEL POST SYNAPTIQUE

Action d ’un neurotransmetteur :Permeabilité : courant Na+ entrantPermeabilité : courant K+ sortant

: longueur de décroissance du courant = 0.1 mmrs : résistance intracellulaire = 1012 V : ddp le long de la dendrite = 25 mV V

Dipôle de courant Q

Q= I V / rs = 20 fAm

Durée temporelle : 10 ms


COURANTS MACROSCOPIQUES

Sommation des activités simultanées d ’un grand nombre de neurones

Noyaux

CortexCellules pyramidales

Boucles ferméesPas de courant macroscopique

Boucles ouvertescourant

macroscopique


Dipôle de courant Macrocolonne corticale 105 à 106 neuronesQ =I x d ~10 à 100 nAm

I

Courants macroscopiques

Dipôle radial (gyrus)

Dipôle tangentiel (sillon)

Dipôles sur la surface corticale


Courants secondaires ou de conduction


CHAMP ELECTRIQUE CHAMP MAGNETIQUE

CHAMPS RESULTANTS


LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES

MEG EEG

Potentiel < 0

Potentiel > 0

Champ>0Champ< 0


QUELQUES NOTIONS D’INSTRUMENTATION


INSTRUMENTATION EEG

1er EEG : Hans Berger 1929 - sur patient trépané

Système 10- 20

Système 64 à 128 électrodescasque d ’électrodes


INSTRUMENTATION MEG

Ordre de grandeur des champs magnétiques cérébraux


INSTRUMENTATION MEG

1er MEG : Cohen -MIT 1968 - avec de nombreux bobinages

1972 : apparition des squidsCapteur magnétique Supraconducteur 4°K(refroidi à l ’hélium liquide)

1990 : Système casque intégral, ~150 capteurs Enregistrement MEG + EEG simultané

1980 : Systèmes 7 à 37 capteurs couverture partielle de la tête


INSTRUMENTATION MEG

Principe de la mesure en MEG

Détection :

bobines réceptrices de flux+

transformateurs de flux : squids

SQUIDS : dispositif supra Basse T (refroidi à l ’hélium liquide)


INSTRUMENTATION MEG - Correction

Chambre blindée : parois de mu-métal

Gradient d ’ordre supérieur avec capteurs de référence


INSTRUMENTATION MEG - Le Système


LES SIGNAUX MEG et EEG


LES REPONSES DE LA MEG ET DE L ’EEG

Données spatiotemporelles

MEG EEG


REPONSE SIMULTANEE MEG ET EEG

MEG EEG

Réponse auditive 100 millisecondes après l ’arrivée du son


LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES

MEG EEG

Potentiel < 0

Potentiel > 0

Champ>0Champ< 0


LES DIFFERENCES DE PROPAGATION

MEG EEG

Cortex

Face externe de l ’os


DIFFERENCES ENTRE MEG ET EEG : RECAPITULATIF

MEG EEG

• Mesure le champ magnétique•Réponse dipolaire perpendiculaire à la direction du dipôle•Réponse focale•Peu affecté par tissus cérébraux•Sélectif pour sources tangentielles•Peu sensible aux sources profondes•Appareillage coûteux

• Mesure le potentiel électrique•Réponse dipolaire parallèle à la direction du dipôle•Réponse diffuse•Très affecté par les tissus•sensible à toutes orientations•sensible aux sources profondes

•Appareillage moins cher


ANALYSE DES SIGNAUX


ANALYSE DES SIGNAUX : Activité spontanée

Les différents rythmes- alpha : 8 - 13 Hz (occipital)- mu : 7 - 11 Hz (mouvement)- beta : 18 - 30 Hz (moteur)- gamma : 30 - 50 Hz - delta : 0.5 - 4 Hz (sommeil)

Les signaux épileptiques - pointes intercritiques - EEG ictal (crise)


ANALYSE FREQUENTIELLE

Analyse temps - fréquence des signaux

Analyse des synchronies

(Rodriguez et col., 1999, Tallon - Baudry)

100 ms

40 Hz

Lachaux,.(Human Brain Mapping, 1999)

Amplitude

PhaseFiltre + Ondelette


ANALYSE DES SIGNAUX : Potentiels évoqués

Moyennage synchronisé à 1 stimulus (Dawson 1937)

Les différentes réponses (latence et amplitude)Nomenclature :- Nxxx : onde EEG négative pointant à xxx ms- Pxxx : onde EEG positive - Mxxx : onde MEG ……..pointant à xxx ms

N145P100


Influence du nombre d ’essais

1 essai 10 essais 50 essais


Influence du nombre d ’essais

100 essais 400 essais 1600 essais


TOPOGRAPHIE DES REPONSES MEG

Cartographie MEG : Interpolation linéaire entre capteurs sur le casque

2D 3D


TOPOGRAPHIE DES REPONSES EEG

Cartographie EEG : Interpolation entre capteurs par fonctions splines

Cartographie de la densité de courant : I = - V avec laplacien de surface Intérêts : * indépendant de la référence * focales pour sources proches * atténuation des sources profondes


LA LOCALISATION DES SOURCES DE L’EEG et LA MEG


IMAGERIE MEG-EEG : LOCALISATION

J?

Reconstruire dans le temps et l ’espace les sources neuronales à l ’origine des signaux MEG et EEG mesurés en surface

Problème inverse


LOCALISATION : Difficultés

Problème direct :

géométrie complexe du milieu de conduction :peau, os , LCR, cortex

peu de données solution non unique instabilité des solutions au bruit

Problème inverse :


PROBLEME DIRECT : les modèles de tête

Modèle sphérique Modèle réalistehomogène par couches

Modèle réalisteinhomogène

Calcul analytique de B et VB indépendant des conductivités

[de Munck, 1988][Sarvas, 1987]

Intégrales de frontièreMilieux isotropes et homogènesMaillage surfacique

[Meijs et al, 1987, 1989][Hämäläinen & Sarvas, 1989]

Méthode des Eléments FinisMéthode des Différences finies inhomogènes ou anisotropes

Maillage volumique[Marin, 1998][Lemieux, 1996]

B dépend uniquement du

centre de la sphère


• Approches dipolaires– Trouver un ou plusieurs dipôle(s) “équivalent(s)” dont les

paramètres sont à estimer à partir des données

OU• Imagerie de la densité corticale de courant

– Estimation des amplitudes de dipôles de courant distribués au préalable sur la surface corticale (sources distribuées)

PROBLEME INVERSE : les approches


SOMESTHESIE

Paradigme : Stimulations sensitives des doigts (400 par doigt) en MEG

Droit

Gauche

Index Petit Doigt

Latence à 40 ms


PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire MEG


SOMESTHESIE : Somatotopie des doigts

pouceindex

majeurpetit doigt

Distance entre doigt ~ 0.9 cmDistance I - V ~ 1.5 cm


SOMESTHESIE : Application clinique

Contrôle

Patient

Dystonique


-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

right hand left hand

controlsscore 1 to 3score 4 to 6score >10

DESORGANISATION versus score clinique

S. Meunier, L. GarneroB. RenaultM. Vidailhet, Annals of Neurology, 2001


PE auditifs ou PEA

Dipôles de la N100

- Mise en évidence d ’une tonotopie :

variation de localisation avec la fréquence


PE auditifs ou PEA

Tonotopie en fonction de la

fréquence


VISUEL : Rétinotopie du champ visuel

M110Localisation du dipôle dépend de la

position du stimulus dans le champ visuel

H

L

U


• Limitations

- Connaissance a priori du nombre de dipôles

- Nombre limité de régions actives

- Modèles adaptés aux composantes précoces

– Quantification de l’extension spatiale problématique

PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire


Imagerie de la densité de courant corticale• Distribution de dipôles de courant à la

surface du cortex

– Proche du modèle physiologique

• Il ne reste à estimer que l’amplitude des sources

• G est fixée par la contrainte corticale de la position des sources

• Les sources sont positionnées aux sommets du maillage cortical

Très nombreuses ( 10 000 mini.)

PROBLEME INVERSE : Modèles distribués


Problème inverse mal posé• Il n’admet pas de solution unique

– Imposé pas les lois de la Physique (von Helmoltz)

– Trop d ’inconnues : problème indéterminé

• La solution ne dépend pas continûment des données– Très sensible aux perturbations

• régulariser le problème inverse

PROBLEME INVERSE : Modèles distribués


Main gaucheMain gauche Contrôle

Patient

SOMESTHESIE : quantification des aires


EPILEPSIE

MEG EEG

Enregistrement MEG/EEG de l ’activité intercritique chez un patient épileptique


EPILEPSIE : Résultats de localisation MEG

Modèle dipolaire sur 23 pointes

1 dipôle par pointe

Modèle distribué

Régions les plus souvent activées sur 23 pointes


L

R

• Localisation MEG (averaged spikes)

Imagerie dynamique


• Fusion MEG-EEG (averaged spikes)

Fusion MEG/EEG

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