UNE MESURE INDIRECTE DE L'ACTIVITE CEREBRALE: L'IRMf

L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), inventée au début des années 1970 par Paul Lauterbur de l’université d’Urbana (USA), a été une véritable révolution en biologie et en médecine. L’incomparable précision anatomique des images du cerveau fournies par cette technique (totalement inoffensive pour l’Homme) a supplanté en neurosciences deux autres m

TEP fonc

années . Cette

technique est dite "indirecte" (par opposition à la MEG et l'EEG notamment) parce que le signal

obine).

Dans cette section, après avoir brièvement présenté l'origine du signal en IRM, nous détaillerons les différentes étapes de reconstruction des données puis nous terminerons par les méthodes utilisées pour localiser les régions cérébrales activées.

1. PRINCIPE DE L'IRM

éthodes d’imagerie, pourtant tout juste inventées (le scanner X anatomique et la tionnelle) (Mazoyer, 2001). Quant à l'IRM fonctionnelle (IRMf), l'invention date des

990 et a été mise au point par l'équipe de Bruce Rosen de Boston (USA) 1

mesuré provient d'une conséquence de l'activité neuronale (les variations du rapport hémoglobine/désoxy-hémogl

La technique d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRM) est une méthode non invasive qui permet d'obtenir des images bi- ou tri-dimensionnelles du cerveau d'une précision anatomique exceptionnelle (submillimétrique). L'IRM est fondée sur le phénomène de résonance magnétique nucléaire et utilise plus spécifiquement les propriétés magnétiques des noyaux d'hydrogène qui se comportent comme des petits aimants (pour une description détaillée, voir Mazoyer, 2002). Ces noyaux, constitués d'un unique proton, sont présents notamment dans les molécules d'eau (H20) qui représentent 80 % du poids du

cerveau. En l'absence de champ magnétique, les moments magnétiques (spins) des noyaux d'hydrogène sont orientés aléatoirement et leur résultante est nulle. Mais lorsque le sujet est placé dans un champ magnétique (B0), les spins vont s'orienter dans la direction du

champ et la somme de tous les spins ne sera plus nulle, créant ainsi un moment magnétique (M0). Comme M0 est très inférieur à B0, orienté dans la même direction et majoritairement

dans le même sens, il est nécessaire, afin de le mesurer, de basculer l'aimantation des noyaux d'hydrogène par rapport à la direction du champ magnétique. C'est le phénomène de résonance magnétique (synchronisation des fréquences de rotation) qui permet, lorsqu'un s

l'orientation de M0. Le champ B1 sera ensuite coupé et M0, sous l'influence de B0, va

retourner progressivement à sa position d'équilibre. La vitesse de retour de l'aimantation à son état d'équilibre, appelé temps de relaxation, dépend de la nature des tissus du fait de leur co

atiale des images. Le signal magnétique émis par les noyaux

ueillis. Plusieurs types d'images différentes peuvent être obtenus à partir de cette technique, mais ce sont les pondérées en T1 qui permettent d'obtenir le meilleur contraste entre la substance e et sont donc utilisées pour une analyse neuroanatomique de grande précision.

econd champ magnétique (B1) est appliqué perpendiculairement à B0, de dévier

mposition biochimique différente, qui est mesurée. Dans ces conditions, tous les noyaux H+ du cerveau vont contribuer au signal enregistré, or il est nécessaire de distinguer les signaux qui proviennent de chaque élément (voxel). Le principe de l'IRM est donc de modifier, de façon continue et en chaque élément de l'image, la valeur du champ magnétique B0 afin que les protons de chaque voxel aient une fréquence de résonance

propre. Grâce à une analyse de Fourier, qui permet de décomposer le signal global en somme de signaux élémentaires de fréquence distincte, les temps de relaxation peuvent être calculés pour chacun de ces éléments. Ainsi la position spatiale des spins est encodée dans leur fréquence grâce à l'application d'un gradient de champ magnétique, dont l'intensité détermine la résolution sp

juste après la résonance est détecté par des bobines conductrices, via la force électromotrice qui y est créée. Une image numérique bi- ou tri-dimensionelle peut être ainsi obtenue à partir de la synthèse de l'ensemble des signaux rec

images

grise et la substance blanch

Par les termes "IRM fonctionnelle", nous désignons la méthode d'IRM qui repose sur l'étude des variations de l'oxygénation du sang lors d'une tâche cognitive. L'information apportée par cette technique dans notre étude concerne l'augmentation du débit sanguin dans les régions cérébrales activées lors la réalisation des tâches cognitives. Ce sont surtout les modifications de concentration de la désoxyhémoglobine qui ont été mises à profit pour réaliser des images à l'aide de ce traceur endogène. Il s'agit de la méthode du contraste dépendant du niveau d'oxygénation sanguine (ou BOLD en anglais, pour 'Blood Oxygen Level

Figure 45. Les différentes phases de la réponse vasculaire lors d’une activation cérébrale. Au

temps précoce (1 à 2 s), on observe un surcroît de la consommation d’oxygène (O2), en rapport avec

l’activité neuronale, qui génère une élévation transitoire de la concentration en désoxy-hémoglobine (cercles bleus; initial dip). Puis, le débit augmente de façon beaucoup plus intense (flèche verte), ce qui entraîne un afflux de globules rouges oxygénés (cercles rouges) et abaisse, par conséquent, la concentration relative en désoxy-hémoglobine: il s’agit de l’effet BOLD. A l’arrêt de l’activation, le signal décroît en deçà de sa valeur de base car il persisterait temporairement une vasodilatation et une surconsommation d’oxygène sans augmentation de débit. Hb: hémoglobine. Adapté de Mazoyer (2002).

Il faut noter qu'une importante étude a directement comparé le signal BOLD et l'activité électrique neuronale dans le cortex visuel chez l'animal (Logothetis et al., 2001). Les auteurs ont montré que le signal d'IRMf est corrélé au champ de potentiel local plutôt qu'à la réponse au potentiel d'action de petites unités de neurones proprement dite. Cette étude a été la première à directement montrer le lien entre le signal étudié en IRMf et l'activité électrique des neurones (Bandettini et Ungerleider, 2001; Raichle, 2001).

2. TRAITEMENT DES IMAGES IRM

Pour nos études, les acquisitions IRM ont été réalisées sur un scanner GE Signa 1,5 Tesla Horizon Echospeed (General Electric, BUC, France).