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Étude du développement cérébral par IRM conventionnelle, IRM de diffusion et IRM fonctionnelle Jessica Dubois Unité de Neuro-imagerie Anatomique et Fonctionnelle Service Hospitalier Frédéric Joliot, CEA, Orsay

Étude du développement cérébral par IRM La RMN pour l’exploration du cerveau 3 niveaux possibles : • Biochimie (Spectroscopie par RMN) • Morphologie (IRM conventionnelle, IRM de diffusion) • Cognition (IRM fonctionnelle) Plan • Principes différentes modalités d’IRM • Applications pour l’étude du développement cérébral JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM L’Imagerie par Résonance Magnétique • • Atome d’hydrogène Corps : eau Résolution spatiale ~ mm Résolution temporelle ~ s ou min L’imageur RMN • Aimant : B 0 (1. 5 T) • Antenne radiofréquence : B 1 (~10 -6 T, 64 MHz) • Bobines de gradients : Gx, Gy, Gz (~10 -3 T. m-1) JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Codage spatial du signal : sélection d’une coupe fréquence • Rappel : la fréquence de résonance dépend du champ magnétique statique • Gradient de champ magnétique la fréquence de résonance varie dans l’espace position • Onde radiofréquence de fréquence donnée excitation et résonance des spins d’une coupe • Enregistrement du signal des spins de la coupe JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Mécanismes de contraste en IRM • Densité de protons • Retour à l’état d’équilibre (relaxation) après excitation par l’onde radio-fréquence B 1 - Repousse de l’aimantation longitudinale : T 1 - Décroissance de l’aimantation transversale : T 2, T 2* JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM L’IRM conventionnelle • Types d’images Densité de protons • Anatomie : T 1 T 2* matière grise (noyaux gris centraux, cortex : sillons / gyri), matière blanche, ventricules (liquide céphalo-rachidien) … JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Exemples d’applications Image 2 D Rendu d’une section oblique Rendu surfacique Détection automatique des sillons du cortex JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM L’IRM de diffusion • Mouvements aléatoires des molécules d’eau • Diffusion dans le tissu cérébral • Signal RMN de diffusion D : coefficient de diffusion, b : pondération de diffusion • Sensibilité à l’orientation des fibres myélinisées de la matière blanche JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM L’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) Dxx z x Dxy Dxz y Dyz T 2 Dzz JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Cartes DTI Diffusion moyenne Anisotropie Orientations codées en couleurs JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Suivi de faisceaux de fibres (tracking) • Principe : utiliser l’information d’orientation dans chaque pixel et se propager de proche en proche pour construire une « fibre » d’un faisceau de matière blanche JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Tracking de fibres JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM L’IRM fonctionnelle • Localisation des activations cérébrales Ex : stimulation visuelle Champ de vue entier Hémichamp gauche Hémichamp droit JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Activations cérébrales Phénomènes physiologiques accompagnant l’activité neuronale : • Changements métaboliques – Consommation de glucose – Consommation en oxygène • Changements hémodynamiques – Volume sanguin – Débit sanguin Augmentation de la saturation en oxygène du sang JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM L’effet BOLD et le signal RMN • Hémoglobine : atome de fer • Comportement magnétique : porteuse d’oxygène : diamagnétique non porteuse d’oxygène : paramagnétique • Déoxyhémoglobine : - modifications des lignes de champ magnétique - effet sur le T 2* - effet sur le signal RMN Effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant) JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM L’effet BOLD et les activations cérébrales Lors d’une activation cérébrale : • Augmentation de la saturation en oxygène du sang • Diminution de la concentration en déoxyhémoglobine • Augmentation du T 2* Augmentation du signal RMN Signal t JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Étude en IRM conventionnelle • Évolution des temps de relaxation avec l’âge Myélinisation de la matière blanche vue en T 1 I : 1 mois II : 2 mois III : 3 -6 mois IV : 7 -9 mois V : >9 mois Paus et al, Brain Res Bull 2001 JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Étude de la formation des sillons et gyri • Imagerie pré-natale : « plissements » du cortex Collaboration SHFJ / Hôpital Necker, Paris / HSR, Milan Scifo et al, HBM 2003 • Application potentielle : détection précoce de pathologies du développement cortical JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Étude en IRM de diffusion • Sensibilité à l’anisotropie initiale du cortex T 1 diffusion anisotropie moyenne 26 sem • Sensibilité au processus de myélinisation des fibres de matière blanche • Sensibilité à l’orientation des faisceaux de fibres avant la fin de la myélinisation 40 sem 7 ans Neil et al. , NMR Biomed. 2002 JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Organisation des faisceaux chez le bébé • Quel est l’état d’ « organisation » des réseaux de matière blanche chez le bébé de 3 mois ? Vue axiale Vue sagittale Vue coronale Collaboration en cours SHFJ / Hôpital Necker, Paris JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Étude en IRM fonctionnelle • Quel est l’état de « fonctionnement » du cerveau (matière grise) chez le bébé de 3 mois ? Langage Dehaene-Lambertz et al, Science 2002 Activations aux sons Assymétrie en faveur de l’hémisphère gauche Paroles à l’endroit vs paroles à l’envers Bébés éveillés vs bébés endormis JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Études en cours • Langage : mémorisation d’une phrase écoutée par le bébé de 3 mois ? • Vision : le nouveau-né « voit-il » ? Chez l’adulte : région spécifique à la vision des visages, assymétrie en faveur de l’hémisphère droit Chez le bébé de 3 mois ? JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois

Étude du développement cérébral par IRM Conclusion • L’IRM appliquée à l’étude du développement : anatomie / fonctions, quels liens ? • • La RMN : 1946 L’IRM : 1973 L’IRM fonctionnelle : 1992 L’IRM de diffusion appliquée au tracking : 1999 JJC. 2 décembre 2003. J. Dubois