1. Optimisation de la séquence de stimulation
Une procédure d’optimisation des séquences de stimulation pour l’extraction de la réponse hémodynamique a été appliquée49 pour dessiner le paradigme d’IRMf événementielle (respectant les méthodes évoquées dans ce chapitre en paragraphe II.A.2.a.) 50
(Dale, 1999; Friston K. J. et al., 1999; Miezin et al., 2000). Cette procédure consiste à
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http://www.mrc-cbu.cam.ac.uk/Imaging/Common/mnispace.shtml
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http://www.fmri.wfubmc.edu (Lancaster J.L., et al., 1997, 2000 ; Maldjian J.A., et al., 2003)
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Procédure mise au point à l’unité INSERM/UJF U594 par Mathilde Pachot-Clouard.
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Le calcul de l’efficacité proposé par Friston et ses collaborateurs (Friston K.J., et al., 1999) spécifie que l’efficacité ∞ d’un paradigme est proportionnelle à la covariance des (contrastes de) covariables, ainsi ∞
générer un grand nombre de séquences aléatoires de stimulation et à les estimer en termes d’efficacité pour l’extraction de la réponse hémodynamique (modélisée par la fonction canonique). Plusieurs paramètres expérimentaux sont pris en compte dans ce protocole : le nombre total d’images par séquence qui était de 240 et le temps de répétition qui était de 3 secondes. Le nombre de conditions d’intérêt était indiqué ainsi que le nombre d’itérations (dans notre cas 5000 séquences aléatoires ont été générées et estimées). Les séquences proposées comprenaient les trois types de stimulus en proportion équivalente (80 cibles stationnaires, 80 sauts de cibles et 80 événements nuls). Les séquences sélectionnées pour l’expérience présentaient une efficacité comparable pour l’analyse de l’effet principal de chaque condition par rapport à la condition NULLE, ainsi que pour l’analyse du contraste entre les conditions actives (pointage corrigé versus pointage direct).
2. Procédure expérimentale
Les sujets se sont prêtés à une séquence d’entraînement préalable à l’examen d’IRM. L’entraînement était réalisé hors IRM, devant un écran d’ordinateur, en utilisant le joystick afin de s’habituer à sa manipulation ainsi qu’au gain joystick-curseur51. Les sujets devaient réaliser les gestes de façon directe et rapide, tout en conservant une réserve pour corriger la trajectoire de pointage dans le cas d’un saut de cible, un compromis entre vitesse, précision et capacité à réagir devait donc être atteint. Cet entraînement a également permis de régulariser l’exécution de la tâche et de s’affranchir des processus d’apprentissage de la tâche pendant les enregistrements d’IRMf (paramètre de non-intérêt dans cette expérience).
Les acquisitions IRM ont été réalisées sur l’imageur à 3 Tesla du CHU de Grenoble (Medspec S300 Bruker)52. L’antenne tête volumique a été utilisée pour l’émission et la réception (voir figure II.6). Notre protocole reposait sur l’acquisition d’une première série fonctionnelle (F1), d’une image anatomique haute résolution, puis d’une seconde série fonctionnelle (F2) identique à la première (voir figure II.5) et, enfin, des images en écho de gradient qui servent de base de calcul des cartes de champs (une éventuelle troisième série fonctionnelle (F3) a été acquise chez certains sujets volontaires).
convoluée avec les bases de fonctions modélisant la réponse hémodynamique), et c désigne le vecteur de contrastes pour la détection des effets principaux de chaque type d’événement a et b (ca =[1 0]T et cb =[0 1]T), et pour la détection de l’effet différentiel (ca-b =[1 -1]T et cb-a =[-1 1]T).
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Dans l’IRM, le gain visuo-manuel correspondant au rapport entre les dimensions de l’espace visuel écran et de l’espace de manipulation joystick a été calculé en X (80 mm/ 1024 pixels), et en Y (80mm /768 pixels).
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a. Séquences fonctionnelles EPI
La séquence de stimulation optimisée comprenait 240 stimuli, et chaque essai (apparition de la cible, pointage visuo-manuel et retour) durait 3 secondes ; un volume d’images EPI est acquis par essai, l’acquisition était donc synchronisée avec la stimulation. Deux événements nuls supplémentaires amorçaient la séquence afin de solliciter l’attention du sujet et de limiter l’effet de surprise de la première cible. Ces deux images fonctionnelles étaient ensuite supprimées au cours des prétraitements, à l’étape d’interpolation temporelle (« slice timing »). En début de séquence EPI, le signal IRM n’étant pas encore stabilisé, les premières images acquises sont artefactées et ne sont pas conservées (dans notre expérience « 6 dummy scans » ont été acquis sans stimulation comportementale).
Chaque session fonctionnelle comprenait ainsi 6 « dummy scans » et 242 images EPI pondérées en T2*, acquises parallèlement à la présentation des 242 stimuli (chaque séquence fonctionnelle durait environ 12 minutes, voir figure II.6). Pour chaque image acquise, le volume cérébral était couvert entièrement en 3 secondes (TR = 3s, TE = 35ms) par 40 coupes de 3,3 mm d’épaisseur (3,5 mm centre à centre) ; elles étaient acquises en mode entrelacé, dans un plan parallèle à l’axe reliant les commissures antérieure et postérieure. La résolution à l’acquisition des images EPI était de 3 x 3 x 3,3 mm3. L’angle de basculement était de 90 degrés, le champ de vue (Field of View, FOV) était de 225 x 225 mm2, la résolution dans le plan étant de 3 x 3 mm2, la matrice d’acquisition était de 75 x 75 (reconstruite en 128 x 128), et la bande passante de la fenêtre d’acquisition de 125 kHz.
b. Séquence anatomique et cartes de champ
L’image anatomique pondérée en T1 a été acquise en utilisant une séquence 3D MP-RAGE à une résolution53 de 1 x 1 x 1 (mm)3 (Mugler et Brookeman, 1990; Deichmann et al., 2000).
Les images permettant de construire les cartes de champ sont acquises à la fin de chaque examen dans l’objectif de corriger les distorsions géométriques des images EPI, liées aux inhomogénéités de champ magnétique relativement importantes à 3 Tesla. La méthode de correction des distorsions nécessite en effet d’acquérir au cours de l’examen deux séries en écho de gradient (séquence 3D FLASH) en appliquant des temps d’écho différents (TE = 5 ms et TE = 14.1 ms), tout en conservant le même champ de vue que les images EPI (FOV 225 x 225 mm2).
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Serie fonctionnelle F1 240 images EPI T2* TR 3 sec 12 minutes Image anatomique T1 14 minutes Cartes de champ T2* TEa5.1 ms, TEb14.1 ms 5 minutes Preparatifs, parametrages, reperage anatomique 10 minutes
Duree totale de l’examen 1h 12 minutes Serie fonctionnelle F2 240 images EPI T2* TR 3s
Figure II.5. Séquence d’acquisition des images pour l’expérience. Après avoir placé le sujet dans
l’aimant, la calibration du système de suivi oculaire se fait en parallèle des préparatifs d’IRM (repérage anatomique à faible résolution, réglages des paramètres des séquences EPI et pré-tests). Les deux séquences fonctionnelles sont séparées par l’acquisition de l’image anatomique, et suivies de l’acquisition des images en écho de gradient (cartes de champ).
Figure II.6. Schéma du protocole expérimental. Le sujet est allongé dans l’IRM (photo prise avant
l’entrée du sujet dans l’aimant afin d’illustrer la situation expérimentale), la tête dans l’antenne crâne. Le joystick est manipulé de la main droite. Le miroir placé à hauteur des yeux du sujet réfléchit l’écran de stimulation et le faisceau infra-rouge du système de suivi des mouvements oculaires. Chaque essai, stimulus-réponse, dure trois secondes pendant lesquelles une cible est présentée et un mouvement de pointage est réalisé (sauf en condition nulle) ; en parallèle une image EPI est acquise couvrant le volume cérébral.
III. Traitements et analyses des données
L’ensemble des données des deux populations de sujets a été traité et analysé selon les mêmes procédures et tests statistiques.
Dans un premier temps, la question d’intérêt portait sur le contrôle visuo-moteur en ligne lors d’un mouvement de pointage de cible. L’analyse a donc été conduite sur les données issues du groupe Contrôle. La comparaison des conditions DIRECTE et CORRIGÉE permet d’étudier les paramètres comportementaux et fonctionnels de la correction de la trajectoire de pointage en cours d’exécution du mouvement, en réponse au déplacement soudain et imprévisible de la cible présentée.
Dans un second temps, c’est l’effet de l’expertise visuo-motrice sur le contrôle du mouvement de pointage visuo-manuel en cours d’exécution qui est l’objet d’intérêt. La comparaison des résultats issus des deux groupes Novices et Experts permet de considérer séparément l’effet de l’expertise selon la condition DIRECTE, CORRIGÉE ou la différence de conditions, tant au niveau des paramètres comportementaux que des paramètres fonctionnels. Les données du Groupe Experts ne sont donc pas analysées en vue d’une interprétation propre à ce groupe mais dans l’objectif de la comparaison de populations.
Le protocole a été mis au point dans le respect des objectifs de l’étude. Les compromis nécessaires entre les aspects comportementaux et fonctionnels ont restreint l’exploration purement comportementale aux paramètres spatio-temporels et cinématiques les plus informatifs. Notons également que le traitement et l’analyse fonctionnelle cérébrale impliquant la conservation de toutes les images, ceci a imposé de traiter et d’analyser tous les essais au niveau comportemental. Il faut donc garder à l’esprit que l’analyse des données comportementales sert essentiellement l’interprétation des données fonctionnelles.