Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

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. Cette technique ne présente aucun danger connu pour la santé des sujets.

La localisation des zones cérébrales activées est basée sur l'effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant), lié à l’aimantation de l’hémoglobine contenue dans les globules rouges du sang.

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. Ainsi, 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.

Historique

La technologie de l'IRM fonctionnelle

Principes généraux

Il s'agit de la capture par un 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 correspondants 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 IMR 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.

Le signal BOLD (signal dépendant du niveau d’oxygénation cérébrale)

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 champs 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 %.

La réponse impulsionnelle

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.

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).

Recherche

Études de connectivité fonctionnelle.

• Psychologie cognitive et comportementale
• Psychiatrie

Déroulement de l'examen

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.

Différences IRMf-TEP

La tomographie par émission de positons, ou TEP, était considérée jusqu’il y a peu comme la technique de référence pour l’imagerie cérébrale fonctionnelle en neurosciences cognitives.

Dans cette technique on injecte au patient un traceur radioactif, l’oxygène 15, qui, très instable, va se transformer en libérant un positron, l’équivalent positif de l’électron. Ce positon va rencontrer l’électron d’un atome voisin. Ils vont s’annihiler l’un l’autre en libérant deux photons gamma qui partent dans des directions opposées. Un appareil de détection des photons gamma, appelé caméra à positon, est installée autour du crâne du patient. En faisant effectuer au patient pendant l’enregistrement une tâche motrice ou cognitive, la tomographie permet de visualiser les zones du cerveau activées par cette tâche.

Notes et références

Voir aussi

• Statistical parametric mapping (SPM) dit aussi cartographie statistique paramétrique
• Neurosciences
• Neurologie

v · Neurosciences
Niveaux d'analyse	Moléculaire · Synaptique · Neuronal · Réseau neuronal · Organique · Systémique
Méthodes	Imagerie cérébrale · Électrophysiologie · Lésion cérébrale · Intelligence artificielle · Neuroanatomie · Neurophysiologie · Neuroendocrinologie · Psychophysiologie · Neurosciences cognitives · Neurosciences sociales · Neuropsychologie
Concepts majeurs	Neurone · Potentiel d'action · Synapse · Neurotransmetteur · Plasticité neuronale · Plasticité synaptique · Précablage · Réflexe · Récompense · Cognition · Modularité de l'esprit
Chercheurs	Ramón y Cajal · C. S. Sherrington · P. Broca · J. Olds · J. LeDoux · D. H. Hubel · T. Wiesel · E. Kandel · J.-P. Changeux
Champs d'application	Neurologie · Neurochirurgie · Neuropsychologie · Psychiatrie · Neuropharmacologie · Chronobiologie

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