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  • SommaireSommaire I. Origine du signal BOLD 1. De lactivation neurale leffet BOLD 1. De lactivation neurale leffet BOLD 2. Signal mesurable en IRM, en IRMf II. Paradigmes exprimentaux III. Analyse des donnes IRMf IV. Applications I. Origine du signal BOLD 1. De lactivation neurale leffet BOLD 1. De lactivation neurale leffet BOLD 2. Signal mesurable en IRM, en IRMf II. Paradigmes exprimentaux III. Analyse des donnes IRMf IV. Applications
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  • Origine physiologique des signaux
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  • I.1 Rseau vasculaire crbral ArtriolesArtrioles Y=95% au repos Y=100% pendant lactivation 25 mm diamtre
  • CBF, CBV et CMRO 2 ont des effets diffrents sur la concentration dHbO 2 : (plus dHbO 2 dlivre -> moins dHb dans le compartiment veineux si lexcs dO 2 nest pas utilis) CMRO 2 CBV CBF Fraction locale dHb Fraction locale dHb Fraction locale dHb (extraction dO 2 -> HbO 2 devient Hb) (plus dHb dans un voxel donn) Linteraction de ces 3 quantits produit la rponse BOLD. Ils modifient [Hb] qui affecte lenvironnement magntique.
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  • Mais CBF >> CMRO 2 (30% >> 5%)Mais CBF >> CMRO 2 (30% >> 5%) Dpasse la quantit ncessaire pour supporter la faible augmentation du mtabolisme de lO2. Ce dsquilibre est dabord un phnomne physiologique qui produit des variations du signal BOLD. Se traduit par une plus grande concentration en [HbO 2 ] dans le compartiment veineux par rapport [Hb]. Se traduit par une augmentation de lintensit de limage Moins dHb gnre moins de substance paramagntique.Moins dHb gnre moins de substance paramagntique. 2 modles dexplication de ce dsquilibre entre CBF et CMRO 22 modles dexplication de ce dsquilibre entre CBF et CMRO 2 Lien linaire (Turner-Grinvald) ou non-linaire entre le CBF et la CMRO 2 (modle doxygnation limite). Mais CBF >> CMRO 2 (30% >> 5%)Mais CBF >> CMRO 2 (30% >> 5%) Dpasse la quantit ncessaire pour supporter la faible augmentation du mtabolisme de lO2. Ce dsquilibre est dabord un phnomne physiologique qui produit des variations du signal BOLD. Se traduit par une plus grande concentration en [HbO 2 ] dans le compartiment veineux par rapport [Hb]. Se traduit par une augmentation de lintensit de limage Moins dHb gnre moins de substance paramagntique.Moins dHb gnre moins de substance paramagntique. 2 modles dexplication de ce dsquilibre entre CBF et CMRO 22 modles dexplication de ce dsquilibre entre CBF et CMRO 2 Lien linaire (Turner-Grinvald) ou non-linaire entre le CBF et la CMRO 2 (modle doxygnation limite). Mtabolisme dactivation crbrale (suite)
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  • (1)Phase dhyper-oxygnation (2)Rponse prcoce (intial dip) (3)Rebond final : final undershoot (a)Signal micro vasculaire (b)Signal macro vasculaire Gnralement % S micro < % S macro, MAIS pas toujours. La fonction de rponse hmodynamique
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  • Lien entre activit neurale et signal BOLD Daprs Logothetis et al. Nature aot 2001 Corrlation significative entre activit post-synaptique et activit hmodynamique mesurable en IRMf
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  • Principes physiques de mesure en IRM
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  • En prsence dun champ magntique, laimantation de certains noyaux (hydrogne, phosphore ) soriente dans la direction du champ : Laimantation rsultante peut tre mesure en envoyant des ondes radio. Laimantation rsonne et met en retour une onde radio quon mesure : champ magntique produit par un aimant pas de champ magntique excitation des aimantations onde mise en retour mesure rsonance I.2 Principe de la RMN
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  • Application d'un champ magntique statique B 0 et apparition d'un moment macroscopique M 0 Bascule du moment magntique sous l'impulsion radiofrquence (ou champ tournant b 1 ) z MZMZ y B0B0 b1b1 x M Z M 0 M 0 M0M0 B0B0 RMN - Conditions initiales
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  • RMN Signal mesur x y B0B0 M Fin de l'impulsion 90 M M 0 Prcession libre et retour l'tat initial y B0B0 M x MZMZ T1 : Temps de repousse ou de relaxation longitudinal ie de croissance de T2 : Temps de relaxation transverse Dcroissance de M M
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  • Temps dcho (TE) TE/2 Impulsion 180 Impulsion 90 FID 0 Signal dcho dphassde nouveau en phase t = TE en phase (impulsion 90) t = 0 retourns (impulsion 180) t = TE/2 de nouveau dphass Echo de spin pour retarder linstant de lecture du signal
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  • Pondration enT1 Pondration en T2 (ou T2*) 0t T1 court T1 long TR ~ T1 0 t TE ~ T2 Moment longitudinal Moment transverse T2 court T2 long Contraste des images Daprs AL. Paradis 2001, Thse Univ. Paris VI IRM anatomique IRMf
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  • Effet BOLD=Blood Oxygenation Level-Dependent (Ogawa et al. 1990) Produit de contraste intrinsque : (HbO2) Oxyhmoglobine (HbO2) : diamagntique (Hb) Dsoxyhmoglobine (Hb) : paramagntique Substance paramagntique perturbe le champ magntique local et modifie caractrise par T2* M Activation crbrale Lgre augmentation de la consommation O2, accompagne dun fort afflux de Sang oxygn Consquence : augmentation de la concentration en sang oxygn des vaisseaux proches des neurones actifs Les images BOLD sont pondres en T2*
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  • Construction des images 3D : codage spatial Slection de coupeSlection de coupe Gradient de champ magntique orthogonal au plan de coupe voulu (selon Oz) Codage en frquence (I)Codage en frquence (I) Encodage de phase (II)Encodage de phase (II) 1 squence dacquisition doit inclure les diffrents types de codage (multi-coupes) Sur chaque coupe = (I) + (II) Sur chaque coupe = (I) + (II) Slection de coupeSlection de coupe Gradient de champ magntique orthogonal au plan de coupe voulu (selon Oz) Codage en frquence (I)Codage en frquence (I) Encodage de phase (II)Encodage de phase (II) 1 squence dacquisition doit inclure les diffrents types de codage (multi-coupes) Sur chaque coupe = (I) + (II) Sur chaque coupe = (I) + (II) Signal mis/lu Transforme de Fourier Axe Objet metteur Axe de codage en frquence (x) Image 1D reconstruite B0 +G x.x Valeur du champ Statique pendant La lecture B0 Les protons vont prcesser diffrentes frquences Les signaux associs sont spars par transforme de Fourier
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  • Squence EPI : principe EPI Parcours du k-space Codage en frquence selon x Encodage de phase selon y
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  • Squence EPI cho de gradient: Imagerie ultra-rapide Temps d'cho (TE) Lecture d'une ligne (codage en frquence) Slection d'une ligne (encodage de phase) Impulsion 90 ( radiofrquence ) G Z G x G y Temps de rptitioninter-coupes B1 Signaux lus Slection de coupe + - - + - +
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  • Caractristiques des squences EPI Imagerie ultra-rapide (pour 1 coupe, TA
  • The Bonferroni correction 5mm10mm15mm Suppose N independent tests (eg at each voxel i ) : a : threshold that we are looking for P(max(t i ) > t a ) = type I error = a (exemple : a = 5%, N = 50k) P(max(t i ) > t a ) = 1 - P(t 1 < t a )P(t 1 < t a )... P(t N < t a ) = 1 - (1-a) N => a = 1 - (1-a) 1/N =~ a/N (eg : a = 10 -6 ) Independent : a = 1- (1-a) 1/N Completely dependant : a = a Dependant : a = ? N ? - Dependance ?
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  • Summary: Levels of inference & power
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  • Application en IRMf vnementielle
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  • tude du langage (Pallier et al. 2002) Carte SPM p-value corrige Matrice de dessin exprimental Activations fonctionnelles superposes lanatomie Analyse de groupe
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  • Dtails sur la matrice de dessin
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  • Nouveaux dveloppements
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  • Analyse dessais simples Utiliser le MLG avec des predicteurs, comme pour des dessins en bloc. 2)Pour une rgion dintrt : pour chaque type dessais, calculer le dcours temporel moyen synchronis sur le dpart de chaque essai ; puis soustraire les diffrences important : rendre alatoire ou contrebalancer lordre des essais Raw data Event-related average with control period factored out A signal change = (A F)/F B signal change = (B F)/F Event-related average sync to trial onset A B F 3) Selective averaging [Dale & Buckner, 1997]: calculer la moyenne et la variance du dcours temporel des donnes IRMf pour chaque type dessais. Tester si ce dcours est significatif (soit diffrent de zro soit dun) partir dune ANOVA (pas dhypothse sur la HRF) ou de la covariance avec la HRF
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  • Variabilit de la HRF Aguirre, Zarahn & DEsposito, 1998 la variabilit inter-sujets de la HRF est considrable Pour chaque sujet, les rponses sont plus consistantes, bien quil existe une variabilit inter-sessions diffrents sujets mme sujet, mme session mme sujet, diffrentes sessions
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  • Variabilit de la HRF : implications Aguirre, Zarahn & DEsposito, 1998 Modle paramtrique de HRF (fonction gamma) tient compte de 70% de la variance Modle sujet dpendant tient compte de 92% ode la variance (22% de plus !) Modlisation inadapte rduit la puissance statistique Moins de problmes pour dessins en bloc quvnementiel Pbs les plus importants avec des tches de dlai o une mauvaise estimation des composantes initiale et finale peut contaminer la composante de dlai Solution possible : modliser la HRF individuellement pour chaque sujet Embche possible : la HRF peut aussi varier entre rgions Buckner et al., 1996 ont not : un dlai de.5-1 sec entre les aires visuelle et prfrontale diffrence vasculaire ? traitement de la latence ? Erreur ou caractristique ? Menon & Kim chronom