cours 2-3 neuroimagerie
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MTHODES DES NEUROSCIENCES
CM 2 & 3
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Mthodes des neurosciences
1. Principes / buts / niveaux dtude
2
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bibliographie
EEG/MEG/SMT : lectrophysiologie de la cognition, Hot et Delplanque, Dunod
IRM/TEP : Lesprit en images, Posner et Raichle, DeBoeck Universit
Cerveau et psychologie: Introduction
l'imagerie crbrale anatomique et fonctionnelle Houd
et al., PUF
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Glossaire
EEG : lectroencphalographie
SEEG (iEEG) : EEG strotaxique (EEG intracranien)
MEG : magntoencphalographie
IRM : imagerie par rsonance magntique
TEP : tomographie missions de positons
SMT : stimulation magntique transcranienne
NIRS : spectroscopie proche infra-rouge
SCP : stimulation crbrale profonde
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5
But clinique: complter une dmarche
diagnostique/ valuation
But recherche: comprendre le
fonctionnement /structure du cerveau,
reprsentation des fonctions chez le sujets
sains, aprs lsion crbrale, plasticit
crbrale
Pourquoi la neuroimagerie en (neuro)psychologie?
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Que cherche-t-on voir?? La structure ou la fonction?
Imagerie Anatomique = Structurale : information sur lanatomique
-Rgions explore est-elle normale? Identifier atrophie et hypertrophie
-Existe-t-il une structure anormale? Quelle sont ces dimensions?
Imagerie Fonctionnelle : information sur la fonction
-La fonction tudie est-elle normale? Identifier hypo- ou
hyperfonctionnement?
-Lanomalie est globale ou partielle?
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Mthodes denregistrement directes
Mthodes denregistrement indirectes
hmodynamique
lectromagntique
Etude fonctionnelle
ELECTROPHYSIOLOGIE DE LA COGNITION, Dunod, 2013
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neurone
ms
cms
Rs
olu
tion s
pat
iale
Rsolution temporale min
MEG
EEG
IRMf PET
SEEG spatial resolution (~3mm) but a poor temporal one (~2sec)
temporal resolution (~1ms) but a poor spatial one (~2cm).
cm
Quelles mthodes pour tudier quoi ?
NIRS
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Chaque mthode se caractrise par une
rsolution spatiale et temporelle
spcifique et est plus ou moins
invasive et contraignante
Quelles mthodes pour tudier quoi ?
Conditionne le choix des
techniques par rapport aux
objectifs dtude
(1) Localiser prcisment le rseau crbral impliqu: fMRI, TEP, NIRS, etc
(2) Etudier la dynamique du rseau crbral impliqu (dcours des activations crbrales
et interactions): EEG, iEEG, MEG, TMS, NIRS avec limites temporelles, etc.,
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Mthodes des neurosciences
2. Mesures invasives
Niveau cellulaire/molculaire
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1. Imagerie anatomique
Donnes histologiques = structure des tissus - post mortem
Voir les rseaux et les connexions neuronales -invivo
techniques : traceurs (marqueurs ou sondes qui visent un type cellulaire ou molculaire)
Coloration cellulaire les constituants cellulaires sont de couleurs variables = dpend du colorant utilis
2. Imagerie fonctionnelle
Stimulation lectrique
enregistrement unitaire du neurone
A. Chez lanimal
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B. Chez lhomme : les enregistrements de champs locaux= enregistrement dune population de neurone: ECoG/sEEG
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ElectroCortigraphie (ECoG)
Llectrocorticographie (EcoG) est
lenregistrement de lactivit neuronale en
surface par lintermdiaire dlectrodes
directement places sur le cortex crbral.
Cet examen est pratiqu en chirurgie opratoire
aprs crniotomie dans le cadre de la chirurgie
curative dune pilepsie pharmacorsistante.
But dterminer ltendue exacte de la zone pileptogne car lexamen pr-opratoire na pas suffit
-
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EEG intracrbral (sEEG)
-
15
EEG intracrbral (sEEG) permet denregistrer lactivit lectrique crbrale en profondeur
But dterminer le foyer pileptogne dans le
cadre dune pilepsie pharmco-rsistante
-
Enregistrement en temps rel (toutes les ms, voire plus) : excellente rsolution temporelle
Enregistrement au niveau des neurones : rsolution spatiale trs leve
Donne des indications sur lchelle cellulaire de lintgration des informations
Mthode hautement invasive
Avantages et inconvnients de la mthode
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3. LEEG et la MEG
Mthodes des neurosciences
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Les neurones en activit forment des dipoles
Activit de ces dipoles qui est enregistre
= activit lectromagntique crbrale:
excellente rsolution temporelle Enregistrement en temps rel (toutes les ms, voire plus) :
lectroencphalographie (EEG)
A. Principes communs ces techniques
Magntoencphalographie (MEG)
Champ magntique
qui est enregistr
Dipole transversal
Champ lectrique
qui est enregistr
Dipole
longitudinal
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B. La MEG
enregistrement des sources corticales du signal, pas des sources profondes Appareillage trs couteux
rsolution spatiale+++++
Capteurs du signal magntique: pour recueillir
le signal
Casque+ bobine
receptrice+SQUID(composant lectrique qui
chauffe bcp)
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B. La MEG
-
Recherche : Somatotopie sensorielle reprsentation sensorielle des doigts la surface
du cortex:
contribution la mise en vidence des phnomnes de plasticit crbrale (patients
avec membres amputs: douleurs fantmes)
- Applications
Clinique : localisation de la source des signaux neurochirurgie (pilepsie..)
Avantages par rapport ECoG et S-EEG : localisation prcise sans implantation delectrodes intra-cranienne
B. La MEG
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C. LEEG
rsolution spatiale mdiocre
Enregistrement distance des capteurs (qui se trouvent sur le scalp)
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Exemple de trac
C. LEEG
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on traite le signal avant de pouvoir interprter des rsultats On lanalyse En Temps/frquence ou par Potentiels voqus (PE)
C. LEEG
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2Hz
4Hz
8Hz
12Hz
16Hz
f
A
- Trac EEG en fonction du temps
Lanalyse temps /frquence
Regarder ce signal pour voir de quelle frquence est compose le signal
Analyse frquentielle :
TE
MP
S
FR
EQ
UE
NC
E
Dcomposer le
trac EEG
selon les
diffrentes
frquences
Il y a beaucoup de
signal 8hz dans le
trac EEG
C. LEEG
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- lanalyse temps/frquence
C. LEEG
Profils de Frquence tats de vigilance associe
Delta [1-4Hz[ Sommeil profond, coma
Thta [4-7.5Hz[ Endormissement, tats motionnels
Alpha [7.5-12.5Hz[ Veille diffuse, attention, mmoire, intelligence
Beta [12.5-30Hz[ Veille active, Sommeil paradoxal
Gamma >30 Hz Rythme de la conscience
sommeil
Activits mentales complexes
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Diffrentes valences Modifications lectrocorticales
- Les potentiels voqus
C. LEEG
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Bonne rsolution spatiale Moins bonne rsolution spatiale
-
4. Imagerie structurale: MTHODES MORPHOLOGIQUES
(ANATOMIQUES)
Mthodes des neurosciences
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- Tomodensitomtrie (Computer Tomography, CT ou scanner X): base sur les proprits des tissus absorber les rayons X, les rgions qui absorbent le plus sont les plus visibles.-> clinique -Imagerie par Rsonance Magntique Nuclaire (IRM)
-LIRM de diffusion
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Imagerie par Rsonance Magntique
(IRM) Principe
Technique non invasive
Image 3D du cerveau
Exploite les proprits magntiques de la molcule deau: IRMa montre les diffrences du contenu et de distribution de l'eau
dans les tissus du corps humain.
Proton H+
Proton H+
Le corps humain contient bcp dH2O (75% )
Les atomes dhydrogne ont des proprits magntiques: la base du signal rsonance
magntique nuclaire : RMN
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RMN: Rsonance magntique
nuclaire
Magntisation
Polarisation Application dun champ
magntique statique
Rsonance
(Bobines) Application dune
onde radio-frquence
Relaxation
Retour lquilibre
Phnomne RMN peut tre dcompos en trois tapes
Etat basal
les protons ont une
orientation alatoire
Si lon applique un champ magntique
(B0), ils salignent
Les protons
mettent un
signal RF
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Ensuite
des capteurs spciaux relaient cette information un ordinateur = coupe anatomique
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IRMa Coupes sagittales
-
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IRMa Coupes coronales
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IRMa Coupes horizontales (ou transversales)
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IRM anatomie crbrale
Coupe histologique Coupe IRM
Ainsi l' IRMa montre les diffrences du contenu et de distribution de l'eau dans les
tissus du corps humain.
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Le champ magntique B0
Mesure : tesla =T
Polarisation
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Le champ magntique B0
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Attention !!
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Avantages et inconvnients de la mthode
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Contre indications de lIRM
Il faut imprativement faire remplir un questionnaire mdical de compatibilit IRM
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Exple : apport diagnostic dans la maladie dAlzheimer
Atrophie de lhippocampe et de lamygdale chez des patients Alzheimer Petrella et al., 2003
Application
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Base sur lIRM = IRM IDT (Imagerie du Tenseur de Diffusion). Elle permet de calculer en chaque point de l'image la distribution des directions de diffusion des molcules d'eau. Cette diffusion tant contrainte par les tissus environnants, on obtient indirectement la position, lorientation et la direction des structures des faisceaux de matire blanche du cerveau.
LIRM de diffusion
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5. IRMf:
Mthodes des neurosciences
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IRM fonctionnelle (IRMf)
L'IRM fonctionnelle est fonde sur l'observation en
temps rel des variations de l'oxygnation du sang, sans
injection de traceur radioactif, puisque le traceur est
endogne (Hb).
Des examens rpts peuvent, de ce fait, tre raliss
sans aucun inconvnient non-invasif.
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IRM vs. IRMf
IRM tudie lanatomie IRMf tudie la fonction
L'IRM anatomique permet de voir en grands dtails les structures du corps humain et
en particulier du cerveau.
LIRM fonctionnelle ou IRMf permet d'tudier quelles rgions du cerveau sont impliques dans des activits comme: regarder des objets, entendre de la musique,
faire des calculs, mmoriser une liste de mots, ou ressentir des motions...
!! Mme principe
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IRMa vs. IRMf
IRMa
IRMf
-
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IRMf
Effets indirects de lactivation neuronale : Variations de volume sanguin
Variations de dbit sanguin
Variations de concentration en dsoxyhmoglobine par
rapport oxyhmoglobine (dcalage entre consommation et
quantit de O2 apport)
On mesure la concentration de dsoxy par rapport oxy =
rapport dsoxy/oxy => effet bold
Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD, Ogawa et al. 1990)
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Rapport 5/11
=0,45
Rapport 13/6
=2,1
repos activation
Conso faible
dO
Activit
neuronale:
Conso +
importante dO
=
Aug du rapport
dsoxy/oxy
Activit neuronale:
Aug. Du dbit et volume
sanguin
+
Apport ++++ importante
dO = conso dO
=
Dim du rapport dsoxy/oxy
Rapport 9/29
=0,3
Effet BOLD
-
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Dispositif exprimental
-
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TT donnes
Statistical Map superpose sur IRMa
~2s
Images fonctionnelles
Temps
~ 5 min
-
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-
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Contraste Familier Neutre Nouveau peur
-
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-
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-
Contraintes identiques IRM anatomique
+
Contraintes exprimentales : Matriel exprimental diamagntique (pas
de matriel lectronique : ordinateur, casque audio, souris), bas sur des
miroirs ou des fibres optiques ou des tuyaux pneumatiques
Rsolution temporelle dpendant de la rponse hmodynamique
Lactivation neuronale est un phnomne lectrique rapide.
La rponse hmodynamique obtenue par effet BOLD met en jeu des processus physiologiques qui interviennent au niveau des capillaires sanguins
phnomne lent (15 s)
Avantages
% TEP : pas dutilisation de radioactivit ou de rayon X
innocuit (thorique) de lexposition au champ magntique
Avantages et inconvnients de la mthode
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6. La tomographie
missions de positons
TEP
Mthodes des neurosciences
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- Injection dun traceur radioactif dune composante fortement utilise par le cerveau
- La camra TEP estime la rpartition des traceurs dans lensemble du scalp
Toute activation crbrale se traduit par une augmentation
localise de la consommation dnergie (glucose, oxygne..) = activit mtabolique en lien avec une activit hmodynamique: cette activit
est enregistre
A. Principe de base
Le traceur inject est indolore, non
toxique et n'entrane pas d'allergie. Il
est faiblement radioactif.
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A. Principe de base
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Inclusion de lisotope radioactif dans la srotonine
- A gauche : TEP du cerveau dun sujet normal.
- droite : TEP dun sujet atteint de dpression svre.
B. Intrts de cette technique Perfusion rduite dans les lobes temporal
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Epilepsie et
mtabolisme du glucose
Hypersignal au niveau du foyer
Hyposignal au niveau du foyer
B. Intrts de cette technique
-
Inconvnients :
- Injection dun produit radioactif invasif,
2 injections doivent tre espaces de 8 10 min.
- Rsolution temporelle faible : 1 2 min pour enregistrer une image du cerveau entier
(constitue souvent de coupes de 2 mm dpaisseur)
remplacement progressif de la TEP par lIRMf (meilleure rsolution spatiale, pas linjection de
produit radioactif)
Avantages
- paradigme de psychologie sont ralisables
- matriel silencieux
- seule mthode permettant ltude des relations entre cognition et neurotransmission
Avantages et inconvnients de la mthode
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7. Limagerie optique: NIRS
Mthodes des neurosciences
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Spectroscopie dans le proche infrarouge
(NIRS)
Principe : absorption diffrentielle de la lumire proche infrarouge par lhmoglobine La molcule dHb vont rflchir la lumire de la NIRS en fonction de leur saturation en
O2:
on obtient la valeur doxygnation tissulaire
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Avantages
La non-invasit
La portabilit : possibilit d'utiliser cette technique en ambulatoire
Le cot limit : quipement entre 60 000 et 200 000 euros
technique amliorer ( ici le calcul du chemin optique qui est la base de la mesure en fNIR
rsolution temporelle faible (dpend de la rponse hmodynamique qui intervient plusieurs secondes aprs l'augmentation d'activit neuronale)
mesures des activits corticales superficielles
Mais Inconvnients
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Chaque mthode se caractrise par une
rsolution spatiale et temporelle
spcifique et est plus ou moins
invasive et contraignante
Quelles mthodes pour tudier quoi ?
Conditionne le choix des
techniques par rapport aux
objectifs dtude
(1) Localiser prcisment le rseau crbral impliqu: fMRI, PET, NIRS, etc
(2) Etudier la dynamique du rseau crbral impliqu (dcours des activations crbrales
et interactions): EEG, iEEG, MEG, TMS, NIRS avec limites temporelles, etc.,
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8. Techniques de stimulation
Mthodes des neurosciences
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stimuler lectriquement et de manire chronique (i.e., en
continu) des structures crbrales afin de stabiliser les
symptmes de certaines pathologies neurologiques et/ou
psychiatriques.
Populations cibles ce jour :
- Couramment : maladie de Parkinson, la dystonie, et les tremblements
essentiels.
- thrapeutique mergente : pathologies psychiatriques rsistantes :
dpression chronique rsistante
troubles obsessionnels compulsifs gravissimes
amlioration de la cognition dans les troubles mnsiques
troubles alimentaires.
A. La stimulation crbrale profonde
-
Lieux de stimulation (tendent se multiplier):
- thalamus
- ganglions de la base : STN, gl. Pallidus, capsule interne
-CCA
- Nx Accumbens
2 lectrodes de stimulation avec gnralement 4 plots de contact
protocole
A. La stimulation crbrale profonde
-
la maladie de Parkinson
la maladie dalzheimer
A2. La stimulation crbrale profonde
dans les pathologies structurales
-
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A2. La stimulation crbrale profonde
dans les pathologies structurales
-
2002 : 1 patient parkinsonien avec TOCs
Stimulation
PRE-Chirur. POST-chirur
80 %
A3. La stimulation crbrale profonde
dans les pathologies fonctionnelles
-
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A3. La stimulation crbrale profonde
dans les pathologies fonctionnelles
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1. La stimulation magntique transcranienne
2. Stimulation transcranienne par courant direct
B. La stimulation magntique transcranienne (SMT)
-
B. La stimulation magntique transcranienne
Effets sur la dpression rsistante (depuis 1998)
Amlioration durable chez 30 70% des participants
Rmission entre 20 45% des participants
-
Pourcentage de rappel des photos en fonction de la latralit
(rose = D, bleu = G) et du moment de la lsion
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B. La stimulation magntique transcranienne
valuation du lien causal entre activit crbrale et cognitive
-
Blumenfeld et al., neuropsychologia, 2014
Effet de la SMT de la partie ventrale du lobe frontale SMT sur la mmoire long terme
Avant Arrire
- Perturbation + amlioration
- Perturbation + amlioration
Effet de la SMT de la partie ventrale du lobe frontale SMT sur la mmoire long terme
E. Vers une amlioration de nos capacits cognitives :
la neurostimulation
Tche de mmorisation
2012 : stimulation durant le sommeil renforce la mmoire ditems rcemment
appris
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