Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

thumb|Détection par l'IRMf de l'activation des régions du cerveau impliquées dans la perception visuelle.

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une application de l'imagerie par résonance magnétique permettant de visualiser, de manière indirecte, l'activité cérébrale. Il s'agit d'une technique d'imagerie utilisée pour l'étude du fonctionnement du cerveau. Elle consiste à enregistrer des variations hémodynamiques (variation des propriétés du flux sanguin) cérébrales locales minimes, lorsque ces zones sont stimulées. La localisation des zones cérébrales activées est basée sur l'effet BOLD (), lié à l’aimantation de l’hémoglobine contenue dans les globules rouges du sang. Cette technique ne présente aucun danger connu pour la santé des sujets.

Historique

Charles Roy et Charles Sherrington furent les premiers à faire le lien entre l'activité cérébrale et le flux sanguin, à l'université de Cambridge.

Principe vignette|gauche|IRMf de la tête d'un participant au Personal Genome Project.

Dans les zones activées par la tâche, une petite augmentation de la consommation d'oxygène par les neurones est surcompensée par une large augmentation de flux sanguin. Il en résulte une diminution de la concentration de désoxyhémoglobine. Vu les propriétés paramagnétiques de cette dernière, le signal IRM (temps de relaxation T2* des noyaux d'hydrogène de l'eau) augmente légèrement pendant les périodes d'activation. De façon plus précise, ce sont les différences de susceptibilité magnétique entre les différents milieux (intra- extra-vasculaires) qui entourent le noyau d'hydrogène (proton) qui jouent un rôle important. En effet, des différences de susceptibilité magnétique entre les différents milieux vont induire des variations locales de champ magnétique qui vont perturber le temps de relaxation T2* des noyaux d'hydrogène.

Ainsi, in vivo, le milieu extravasculaire possède une faible susceptibilité magnétique, tout comme le sang oxygéné. C'est en revanche l'inverse pour le sang non-oxygéné qui possède une forte susceptibilité magnétique. À la frontière entre les vaisseaux possédant du sang peu oxygéné (veinules) et le milieu extravasculaire, il va y avoir une perturbation du champ magnétique qui va donc diminuer le temps de relaxation T2* des protons. Lors de l'effet BOLD, l'activation neuronale va augmenter la concentration en sang oxygéné dans les capillaires adjacents ce qui va donc augmenter le temps de relaxation T2* des protons autour des vaisseaux. Ce sont ces augmentations de signal qui sont donc mesurées en IRMf. Cette variation est très faible, et nécessite des méthodes statistiques puissantes pour être mise en évidence.

Technologie Principes généraux Il s'agit de la capture par une IRM de séquences spécifiques : des séquences echo-planar T2* (ce sont des séquences d'IRM spécifiques) permettant de mettre en évidence le signal BOLD. On obtient ainsi pour chaque voxel une valeur du signal Bold, l'ensemble des voxels correspondant à ce qui est appelé cartes paramétriques. La comparaison statistique des cartes paramétriques seuillées permet de créer des cartes d'activation. Lorsque ces cartes d'activation sont superposées à une IRM cérébrale standard, on obtient l'image classique d'une IRM fonctionnelle (cf l'image en début d'article). L'étude statistique plus poussée de ces cartes d'activation peut permettre de faire de la connectivité fonctionnelle, c'est-à-dire de faire un lien entre différentes zones cérébrales utilisées lors d'une même tâche.

Signal BOLD Le signal BOLD est basé sur l'utilisation de deux principes :

La désoxyhémoglobine (hémoglobine non liée au dioxygène) est paramagnétique. L’hémoglobine se trouve sous deux formes : les globules rouges oxygénés par les poumons contiennent de l’oxyhémoglobine, une molécule non active en IRM ; les globules rouges désoxygénés par les tissus contiennent de la désoxyhémoglobine qui elle est paramagnétique, c'est-à-dire que sous l'effet d'un champ magnétique (produit par l'IRM) elle va acquérir une aimantation dirigée dans le même sens que le champ magnétique, détectable par l'IRM.

L'activité cérébrale entraîne des modifications hémodynamiques. Ce phénomène est appelé couplage neurovasculaire. Dans les zones cérébrales activées, c'est-à-dire où les neurones sont stimulés, on observe à la fois une augmentation de la consommation en oxygène et une augmentation du débit sanguin cérébral local. Mais l'augmentation du débit sanguin cérébral est proportionnellement plus importante que la consommation d'oxygène, le ratio de la consommation sur le débit diminue donc. Cela entraîne une diminution relative de la désoxyhémoglobine, qui peut être enregistrée par l'IRM. Elle correspond à l'augmentation du paramètre T2*, cette variation est de l'ordre de 1 %.

Réponse impulsionnelle (Fonction de réponse hémodynamique) Il s'agit de la variation du paramètre T2* à la suite d'un stimulus cérébral. Elle peut être représentée par une courbe (intensité du signal en fonction du temps), le pic d'intensité se situant environ cinq secondes après le stimulus, suivie d'une diminution (sous la ligne de base), le retour à la ligne de base s'effectuant au bout de 25 à 30 secondes. Ces réponses impulsionnelles sont enregistrées pour chaque voxel tout au long de l'expérience mais elles ne peuvent être correctement estimées que dans les voxels ou les régions réellement engagés dans la tâche.

Applications Voici quelques exemples d'utilisation de l'IRM fonctionnelle.

Cliniques L'IRMf est utilisée en clinique pour déterminer la localisation de régions fonctionnelles chez des patients. Le plus souvent cet examen est demandé dans le cadre d'un bilan pré-chirurgical pour savoir où se trouvent les aires du langage ou de la motricité par rapport à la lésion. Cet examen aide le chirurgien à évaluer les risques de l'opération et à préparer son geste. Chez un patient souffrant de douleurs de désafférentation, l'IRM fonctionnelle permet un repérage pré-opératoire de l'aire motrice où sera implanté le stimulateur électrique (afin de faire diminuer la douleur).

Type de design expérimentaux Une des caractéristiques de l’IRMf est de générer des images qui sont la représentation d’une différence entre deux états de l’activité cérébrale. Dans les designs expérimentaux, deux « états » différents sont définis. Pour produire des résultats valides, il faut créer une expérimentation dans laquelle on émet l’hypothèse que deux états cérébraux (avant/après, avec/sans) sont susceptibles d’être liés à un phénomène cognitif quelconque et on exclut tous les autres facteurs « accidentels » qui pourraient survenir simultanément au phénomène à observer.

Bloc (block design) Le bloc design consiste à présenter alternativement (souvent aléatoirement) pendant une période de temps spécifique (secondes ou fraction de seconde) différents blocs de conditions expérimentales (ON), intercalés avec la condition de contrôle (OFF). On cherche à déceler dans le cerveau les changements locaux qui correspondent aux changements de blocRodden, Frank A., Stemmer, Brigitte. (2004) Brief Introduction to Common Neuroimaging Techniques, In Handbook of the neuroscience of language. eds Stemmer, B. et Whitaker, A. Elsevier, .. Ce design permet un meilleur rapport signal/bruit par sommation des réponses, mais peut causer, chez le sujet, une certaine habituation aux stimuli qui peuvent devenir prévisibles.

Évènementiel Dans ce design, les différentes conditions sont présentées alternativement (ou aléatoirement), mais ne sont pas regroupées en bloc, ce qui minimise l’anticipation et l’habituation. On cherche les changements dans l’activation du cerveau qui seraient corrélés avec les changements de condition. Ce design a l’avantage de permettre l’analyse d’une catégorie de réponses déterminée a posteriori (les essais corrects par exemple). Il propose un modèle de réponse plus fin puisqu’il ne suppose pas un état stationnaire pendant les blocs de stimulationParadis, Anne-Lise; George, Nathalie. 2012. Protocoles expérimentaux en imagerie cérébrale : pourquoi, comment? POWERPOINT..

Recherche Études de connectivité fonctionnelle. Psychologie cognitive et comportementale Psychiatrie

Utilisation commerciale L'IRMf a parfois été utilisée à des fins de marketing, pour enregistrer les réactions des clients face à un produit, ou encore comme détecteur de mensonges. Ces usages sont cependant plutôt controversés.

Déroulement de l'examen et risques associés Déroulement

L'enregistrement du signal demande une coopération du patient, généralement dans le but d'alterner des périodes d'activité cérébrales (par exemple bouger les doigts de la main droite) avec des périodes de repos. Pendant ce temps sont acquises des images de l'intégralité du cerveau toutes les 1,5 à 6 secondes (correspond à la résolution temporelle moyenne classiquement utilisée en recherche). Au cours de l'examen, le patient doit réaliser des tâches selon des consignes précises expliquées avant l'examen. Par exemple, il doit faire un mouvement de la main droite pendant 20 secondes toutes les 50 secondes, ou bien il doit trouver des mots commençant par la lettre désignée par la consigne ; pour cela un signal lui est donné pendant l'acquisition des images soit par un écran soit par un casque audio.

Risques associés à l'expérimentation Fort champ magnétique Le travail en présence d’un fort champ magnétique exige des règles de sécurité très strictes. Par exemple, tout accessoire métallique (bijoux, montres, lunettes) doit être retiréJauzein, Françoise. (2010) Généralités sur l'IRM. Accès-Lyon: http://acces.ens-lyon.fr/acces/ressources/neurosciences/methodes_etude_cerveau/irm_atomique_et_fonctionnelle/irm_generalites/generalites-sur-lirm. L’IRM est non recommandée pour les femmes enceintes (des précautions doivent être prises), les personnes avec un pacemaker, les personnes fiévreuses, diabétiques ou avec des problèmes circulatoires, ceux-ci devant être monitorés, étant donné l’augmentation de la température du corps que cause l'IRMf.

Confinement Le sujet est confiné dans l’imageur IRM et a la tête immobilisée. Le niveau de stress du patient peut augmenter si celui-ci est claustrophobe. Le moindre mouvement peut causer des artéfacts (les tâches de productions de parole causent donc problème).

Bruit important Le bruit généré par les bobines de gradients pendant l’acquisition des images est très élevé et nécessite le port de bouchons ou d’écouteurs par le sujet. Ce bruit reste présent dans les données et peut nuire dans une tâche où des stimuli audios sont utilisés.

Avantages, désavantages, comparaison Avantages Résolution spatiale La résolution spatiale (RS) de l’IRMf est la meilleure offerte par les techniques d’imagerie fonctionnelle, mise à part la technique très intrusive de l’électroencéphalographie intracrânien. Elle est de l’ordre de quelques millimètres à un millimètre, selon l’intensité du champ magnétique. La RS de l’IRMf est supérieure à celle de la tomographie par émission de positrons (quelques mm) et que celle de la magnétoencéphalographie (quelques )Gosseries, O. et. al. (2007), Que mesure la neuro-imagerie fonctionnelle: IRMf, TEP & MEG? Rev Med Liege, 62(4). ..

Non invasif L’IRMf (à l’inverse de la tomographie par émission de positrons) n’est pas invasive puisqu’elle ne requiert pas d’irradiation ou d’injection intraveineuse.

Détection d'activités profondes L’IRMf (comme la tomographie par émission de positrons) permet de voir les sources d’activités non seulement en surface, mais également dans la profondeur du cerveau, contrairement à la magnétoencéphalographie et électroencéphalographie.

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