IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale

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IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la

vasoréactivité cérébrale

Emilie Chipon

To cite this version:

Emilie Chipon. IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale. Ingénierie

biomédicale. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009. Français. �tel-00367470v2�

Université Joseph Fourier - Grenoble

Diplme de do torat

Physique

Option : Physique pour les s ien es du vivant

Présentée par

Emilie CHIPON

IRM fon tionnelle quantitative

appliquée

à la vasoréa tivité érébrale

Thèse dirigée par Jan WARNKING et Alexandre KRAINIK

Soutenue le 30 janvier 2009

Composition du jury :

Chrit MOONEN, Dire teur de re her he Rapporteur

Stefan SUNAERT, Professeur Rapporteur

Antoine DELON, Professeur Examinateur

Hugues CHABRIAT, Professeur Examinateur

Jan WARNKING, Chargé de re her he, Dire teur de thèse Examinateur

Alexandre KRAINIK, Professeur, Dire teur de thèse Examinateur

Thèse préparée au sein de l'équipe 5,NeuroImagerie Fon tionnelle etMétaboliquedu

Jetiensàremer ierle lusterHandi apVieillissementetNeuros ien esdelarégionRhne

Alpes qui a nan é es trois années de thèse. Je remer ie également Claude Feuerstein

pourm'avoira ueilliauseindu GrenobleInstitutdesNeuros ien es,ainsiqueChristoph

Segebarth, dire teur de l'équipe 5 du GIN, pour sa gentillesse et son soutient apporté

pendant estroisannées.Jeremer ieégalementJean-FrançoisLeBaspourm'avoirpermis

de travaillersur les IRM de l'IFR1.

J'exprime toute ma gratitude envers mes deux dire teurs de thèse Jan Warnking et

Alexandre Krainik. J'ai eu l'avantage d'avoir deux dire teurs de thèse très

omplémen-taires sur le plan professionnel : un physi ien et un méde in. Votre très grande

disponi-bilité, vos onseils et ritiques ainsi que vos en ouragements dans les moments di iles,

votre gentillesse etvotre personnalité atta hante m'ont permis d'ee tuer mathèse dans

d'ex ellentes onditions.

Mesremer iementslesplus grandsàLaurentLamalleetIrèneTroprèspourleurs onseils

et aides pré ieuses lorsdes expérien es réaliséessur les IRM ainsi que les bons moments

passés autour d'un aféplus que noir lors de mon installationdans leslo aux du 3T.

Féli itations à mes ollègues de bureaux qui ont eut la lourde tâ he de me supporter :

Céline,Fred, Nadège,Ni olas, Dominique,Seb etFabrizio.Mer i égalementauxthésards

et post-do du laboratoire pour les bons moments passés : Mohamed, Ni o, Benjamin,

Benoît, Flor, Thomas, Cé ile, Sébastien et Fran k. Quelle joie de vous avoir roisé le

week-end au labo.

Mer iégalementàBlandinepoursabonnehumeur,satraverséequotidienne,sagrande

aide pour résoudre mes  bugs  informatiques et pour avoir supprimé les bips...bips

mystérieux.Mer i àAkthampour ses en ouragementsetsabonnehumeurré onfortante.

Jeremer ieégalementl'ensembledesmembresdulabopourleurdisponibilitéetgentillesse

qui m'ontpermisd'être dans un environnement plaisanttout aulong de mathèse.

Mer i à mon pote RMNiste JC pour ses en ouragements et dis ussions autour des

sé-quen es, des analyses de données...

Pour nir un grand mer i à mes maîtresnageurs qui m'ont permis de medéfouler et

de ara tériser les variations régionales du ouplage neurovas ulaire et de la

vasoréa -tivité aux gaz ir ulants. Grâ e à l'IRM par marquage des spins artériels (ASL), il est

possible de mesurer la perfusion de façon quantitative, dynamique et reprodu tiblesans

inje tion de produit de ontraste. Ce travailméthodologiquea onsisté àmettreen pla e

et optimiser une séquen e IRM de quanti ation de la perfusion par ASL pour étudier

la vasoréa tivité érébrale. Pour disposer d'une mesure quantitative ave une sensibilité

maximale,dessimulationsnumériquesetdesexpérien es sursujets sainsontpermis

d'op-timiser : l'amplitude des impulsions RF en prenant en ompte l'hétérogénéité du hamp

B 1

; les délais des impulsions d'inversion pour supprimer le signal statique; la position

de la zone de marquage par rapport au hamp de transmission du résonateur RF;

l'es-pa ement minimalentre la zone de marquage et la régiond'intérêt; la durée de bolus et

temps d'attente avant l'a quisition. Une méthode originale de ara térisation rapide du

bolus de sang marqué en début de haque expérien e a été développée pour permettre

un paramétrage optimal de la séquen e pour haque sujet. Ces méthodes ont été

utili-sées pour ara tériser les eets de l'inhalation de mélanges d'oxygène et de arbogène

à teneur variable en CO 2

, sur la perfusion érébrale hez des sujets sains. En parallèle,

les mêmes méthodes de perfusion sont utilisées dans une étude qui vise à ara tériser la

vasoréa tivité érébrale dans lamaladie d'Alzheimer.

Mots lefs : IRM, perfusion érébrale, marquage des spins artériels ASL, vasoréa tivité

érébrale

Quantitative fun tional MRI applied to erebral

vasorea tivity

Inneuros ien esandmedi ine,fun tionalimagingofbrainperfusionisameansto

hara -terize regional variations of neuro-vas ular ouplingand alterations of the vasorea tivity

to ir ulating gases in patients. Arterial Spin Labeling (ASL) is an MRI method whi h

provides a quantitative and reprodu ible measure of brain perfusion and its dynami al

hanges,withoutthe needforinje tionof ontrast agents. This thesispresentsthe

imple-mentation of anMRI sequen e for the quanti ation of erebral bloodow by ASL and

its optimization for the study of erebral vasorea tivity. To obtain a quantitative

mea-sure withmaximalsensitivity,numeri alsimulationsand experimentsonhealthy subje ts

have allowed tooptimize: the amplitude of RF pulses, the inversion pulse delays to

sup-press stati signal, the limits of the position of the tagging band with respe t to the RF

resonator, the minimal allowable gap between tagging band and region of interest, the

bolus duration and delay time before a quisition. An original method to rapidly

ara -terizethe bolusof labeledbloodinea hsessionhas beendeveloped toprovideanoptimal

parametrization of the sequen e for ea h subje t. These methods have been used to

hara terizethe ee ts ofinhalationof oxygen and arbogen mixtureswith varying CO2

on entrations on perfusion inhealthy subje ts. In parallel,the same perfusion methods

areused inastudyto hara terize erebral vasorea tivityinAlzheimer'sDisease patients.

Liste des abréviations 13

Introdu tion générale 18

I Contexte et objet de l'étude 21

Introdu tion de la partie 22

1 Vas ularisation érébrale 23

1.1 Le transportdes métabolites . . . 24

1.1.1 Le sang . . . 24

1.1.2 Le transportde l'oxygène dans le sang . . . 25

1.1.3 Utilisation de l'oxygène par le erveau . . . 27

1.2 Le système vas ulaire . . . 28

1.2.1 L'ar hite ture vas ulaire érébrale . . . 29

1.2.2 La barrièrehémato-en éphalique . . . 31

1.3 La perfusion érébrale . . . 31

1.3.1 Le débit sanguin érébral . . . 31

1.3.2 Le volume sanguin érébral . . . 32

1.4 Lesvariationsfon tionnelles de la perfusion érébrale . . . 32

1.4.1 Le ouplage neurovas ulaire . . . 32

1.4.2 L'autorégulation de la perfusion érébrale . . . 33

1.4.3 La vasoréa tivité érébrale . . . 33

1.4.4 Variationsfon tionnelles de la on entration en désoxyhémoglobine 35 1.5 Con lusion . . . 35

2 IRM fon tionnelle de la perfusion érébrale 37

2.1 Bases physiquesde laRMN . . . 37

2.1.1 Le magnétismenu léaire . . . 37

2.1.2 Le phénomènede résonan e magnétique . . . 38

2.1.3 Modi ation de l'état d'équilibreet relaxation . . . 39

2.1.4 Codage spatial du signal etre onstru tion de l'image . . . 40

2.2 Mesure des paramètres physiologiques a essibles en IRM fon tionnelle . . 41

2.2.1 Le débit sanguin érébral . . . 41

2.2.2 Le volume sanguin érébral . . . 43

2.2.3 Le signal BOLD . . . 44

2.3 Appli ations des variationsfon tionnelles des paramètres d'IRMf . . . 45

2.3.1 IRMf ognitive . . . 46

2.3.2 IRMf de la vasoréa tivité érébrale . . . 48

2.4 Con lusion . . . 52

3 Obje tifs de la thèse 53 II Développements méthodologiques : Imagerie de la perfusion érébrale 55 Introdu tion de la partie 56 4 Imagerie de la perfusion érébrale par marquage des spins artériels 57 4.1 Introdu tion . . . 57

4.2 Le marquage ontinu des spins artériels,CASL . . . 57

4.3 Le marquagepulsé des spins artériels, PASL . . . 60

4.4 Modèle de quanti ationde la perfusion . . . 62

4.5 Séquen e de PASL pour quantier laperfusion . . . 65

4.6 Dynami ASL et Velo itySele tiveASL . . . 66

4.7 Comparaisonentre lesdiérentes te hniques d'ASL . . . 66

5 Séquen es et options développées 67 5.1 Séquen e de perfusion à 3T . . . 67

5.1.1 La séquen e QUIPSS II . . . 67

5.1.2 Modulede suppression des spins statiques . . . 68

5.1.3 Les impulsionsRF . . . 69

6 Optimisations de la séquen e à 3 T 73

6.1 Introdu tion . . . 73

6.2 Mesure de l'e a ité de l'impulsionde marquage . . . 75

6.3 Détermination de la zone utile de l'antenne RF . . . 78

6.4 Mesure de l'e a ité des impulsionsde saturation . . . 79

6.5 Simulationsdes spoilers . . . 81

6.6 Gap minimum entre la zonede marquageet laROI . . . 84

6.7 Simulationsdu modèle inétiquede Buxton . . . 85

6.8 Optimisationsdes délais

T I

1 et

T I

2 . . . 87

6.9 Détermination du TR minimum . . . 90

6.10 Cara téristiques du module ASSIST . . . 91

6.11 Con lusion . . . 92

7 Cara térisation du bolus des spins marqués 95 7.1 Introdu tion . . . 95

7.2 Méthode . . . 96

7.3 Etude réalisée sur l'IRM 3T . . . 98

7.3.1 Résultats . . . 98

7.4 Etude réalisée sur l'IRM 1,5T . . . 103

7.4.1 Résultats . . . 104

7.5 Dis ussion des études à 3T età 1,5T et on lusion . . . 105

Con lusion de la partie 108 III Etude de la vasoréa tivité érébrale 111 Introdu tion de la partie 112 8 Proto ole expérimental 113 8.1 Administrationdes gaz . . . 113

8.1.1 Gaz disponibles . . . 113

8.1.2 Moyens d'administration . . . 114

8.2 Re ueil des paramètres physiologiques . . . 115

8.2.1 Appareil etparamètres mesurés . . . 115

8.2.2 Contrle de la abilitéde lamesure de la apniepar gaz expirés . . 116

9 Traitement des données 121

9.1 Pré-traitements . . . 121

9.2 Analyse statistique . . . 128

10 Optimisations du proto ole expérimental 131 10.1 Comparaisonde deux dispositifsd'administration des gaz . . . 131

10.1.1 Introdu tion . . . 131

10.1.2 Matériels etMéthodes . . . 132

10.1.3 Résultats . . . 132

10.1.4 Dis ussion . . . 134

10.1.5 Con lusion. . . 135

10.2 Etude de l'eet de l'inhalation du arbogènesur lesignal de perfusion . . 137

10.2.1 Introdu tion . . . 137

10.2.2 Matériels etméthodes . . . 138

10.2.3 Résultats . . . 139

10.2.4 Dis ussion et on lusion . . . 142

11 Mise en appli ation 145 11.1 Appli ation linique : lapathologie sténo-o lusive . . . 145

11.2 Appli ationen re her he : la maladied'Alzheimer . . . 148

11.2.1 Introdu tion . . . 148 11.2.2 Proto ole expérimental . . . 150 11.2.3 Premiers résultats. . . 151 11.2.4 Dis ussion . . . 152 11.2.5 Con lusion. . . 152 Con lusion de la partie 153 Con lusion générale 156 Annexe 1 160 Bibliographie 165

AIF Arterial Input Fun tion

ASL Arterial Spin Labeling

ASSIST Attenuating the Stati Signalin Arterial Spin Tagging

ATP Adénosine Tri-Phosphate

BASE BAsis image and SEle tiveinversion

BASSI Bandwidth-modulated Adiabati Sele tive Saturationand Inversion

BHE Barrière Hémato-En éphalique

BOLD BloodOxygenation Level Dependent

CASL Continuous ArterialSpin Labeling

CBF Cerebral BloodFlow

CBF 0

CBFà l'état basal

CBV Cerebral BloodVolume

CMRO 2

Cerebral Metaboli Rate of Oxygen

CMRO 2

|0

CMRO

2

àl'état basal CVR Cerebral VasoRea tivity

DASL Dynami Arterial Spin Labeling

DPG Di-Phospho-Gly érate

DSC Dynami Sus eptibilityContrast

EPI E hoPlanar Imaging

EPISTAR E hoPlanar Imaging and Signal Targetingwith AlternatingRadio frequen y

FAIR Flow-sensitiveAlternatingInversion Re overy

FISP FastImaging with inthe Steady state Pre ession

FLASH FastLow Angle SHot

GRASE GRAdient and Spin E ho

HbO 2

oxyhémoglobine

MION Mono rystallineIron Oxide Nanoparti les

MTT Mean Transit Time

dHb désoxyhémoglobine

pO 2

pressionpartielle en oxygène

pCO 2

pressionpartielle en dioxyde de arbone

MNI Montreal Neurologi alyInstitute

OEF Oxygen Extra tion Fun tion

OEF 0

OEF àl'état basal

pCASL pseudoContinuous Arterial Spin Labeling

PASL Pulsed ArterialSpin Labeling

PetCO 2

End-Tidal Pressure of CO 2

PICORE ProximalInversion with a Controlfor O-Resonan e Ee ts

PULSAR Pulsed STAR labelingof Arterial Regions

QUASAR QUantitativeSTAR labeling

QUIPSS QUantitativeImaging of Perfusion using a SingleSubtra tion

QUIPSS II QUIPSS se onde version

RF Radio-Fréquen e

ROI RegionOf Interest

SAR Spe i AbsorptionRate

SNR Signal-to-NoiseRatio

STAR-HASTE Signal Targetingwith AlternatingRadio frequen y and Half

FourierSingle shot Turbo Spin E ho

TILT Transfer Insensitive LabelingTe hnique

TOF Time Of Flight

TSE Turbo SpinE ho

UNFAIR Un iNverted FAIR

USPIO

UltrasmallSuperParamagneti IronOxide

VSASL Velo ity Sele tive Arterial SpinLabeling

WET Water suppressionEnhan ed through T 1

L'Imagerie par Résonan e Magnétique est une modalité d'imagerie de l'eau des tissus

mous. Cette méthode non-invasive ore une résolution spatiale de l'ordre du millimètre

et une résolution temporelle de l'ordre de la se onde. Son inno uité permet l'utilisation

répétée hez l'homme e qui faitde l'IRM un outil diagnostiquede hoix. L'implantation

de esappareilsd'imageries'estgénéraliséedansl'ensembledelaFran edepuisunedizaine

d'années.Lesméthodesd'a quisitionsesontmultipliéespermettantnonseulementl'étude

à haute résolution spatiale des diérents organes d'un point de vue anatomique, mais

également fon tionnel.

L'IRM fon tionnelle (IRMf) est la te hnique d'imagerie la plus utilisée en neuros ien es

ognitives pour étudier le fon tionnement érébral hez lessujets sains et dans le as de

nombreuses pathologies neurologiques et psy hiatriques. Les méthodes d'IRMf reposent

sur l'utilisationd'un agent de ontraste exogène intravas ulaire ou endogène omme les

protons de l'eau artérielle qui permet d'observer les modi ations hémodynamiques et

métaboliques suite à une modi ation de l'a tivité neuronale. La mesure des

modi a-tions du débit et du volume sanguin érébral ainsi que l'oxygénation sanguine permet

d'estimer de façon indire telesvariationsde l'a tiviténeuronaledu sujetpendant

l'expé-rien e. En neuros ien es ognitives, l'IRM fon tionnelle s'est imposée grâ e à la mesure

du signal

BOLD

(Blood Oxygenation Level Dependent), résultant des variations simul-tanées du débit et du volume sanguin érébral ainsi que de la onsommation d'oxygène.

Cette méthode repose sur l'hypothèse d'un ouplage neuro-vas ulaire onstant dans le

temps et entre sujets. Or, laréponse vas ulaireà une modulationde l'a tiviténeuronale

est variable selon les régions, l'âge, les ondition basales du débit sanguin érébrale et

des ara téristiques stru turelles des vaisseaux. Si la pertinen e du signal

BOLD

pour les études hez les sujets sains est largement démontrée, ette méthode ren ontre des

di ultés pour l'interprétation des résultats en présen e de pathologies, dès lors qu'une

altération de la perfusion érébrale, du ouplage neuro-vas ulaire ou de la vasoréa tivité

érébrale peut être suspe tée. Une partie de es di ultés dé oule du fait qu'ave une

mesure du seul signal

BOLD

,les ontributions relativesdes variationsde laperfusion et du métabolisme oxydatif au signal sont in onnues. L'IRMf basée sur une quanti ation

du débit sanguin érébral et de ses variations est une alternative,ave un a ès dire t à

un paramètrephysiologiqued'unegrandeimportan een linique.Couplée àlamesuredu

signal

BOLD

,ellepermetde s'aran hirdesvariationsphysiologiques inter-individuelles ou dans le temps, à des degrés divers suivant si la mesure du débit sanguin érébral est

utiliséepour ara tériserlaperfusionbasale,pourquantier lesvariationsdudébit

simul-tanémentausignal

BOLD

oupour alibrerlesignal

BOLD

etd'endéduiredesvariations de la onsommationd'oxygène. Le prin ipal in onvénient de la quanti ation des

varia-tionsdu débitsanguin érébralest méthodologique.Iln'estpasaisé d'obtenirdesmesures

réellementquantitativesd'un rapportsignal-sur-bruita eptable,et lesméthodes mêmes

élémentairesne sontpas disponibles ommer ialementsur les IRM aujourd'hui.

Une autre sour e de di ultés d'interprétation des résultats en IRMf linique est

l'alté-ration potentielle de lavasoréa tivité érébrale dans un grand nombre de maladies. Une

évaluation des variations du débit sanguin érébral au ours d'un stimulus vasomoteur

permet de ara tériser la vasoréa tivité érébrale de haque sujet, e qui ane

l'ana-lyse des données IRMf. Plus importanten ore, du faitde la liaisonétroite entre atteinte

neuronale et atteinte vas ulaire dans de nombreuses maladies,la quanti ationde la

va-soréa tivité érébrale pourrait révéler des altérations stru turales et fon tionnelles de la

ou pour l'orientationthérapeutique.

Leprésent projetd'IRM fon tionnellequantitativeappliquéeàlavasoréa tivité érébrale

omporte la mise en pla e, l'amélioration et l'optimisation d'une méthode d'a quisition

non-invasivedelaperfusion érébrale,l'optimisationd'unstimulusvasomoteur,lamiseen

pla e d'unepro édure d'analyse,etlamise en appli ation hez lespatientsan d'évaluer

le potentieldiagnostique de la mesurede lavasoréa tivité érébrale.

Ce travail de thèse a été réalisé au sein du laboratoire NeuroImagerie Fon tionnelle

et Métabolique, équipe

5

du Grenoble Institut des Neuros ien es. Il a été nan é par le luster

11

de la région Rhne-Alpes : Handi ap, Vieillissement, Neuros ien es. La plateformeIRM CorpsEntierdel'InstitutFédératifde Re her he deGrenoble(IFR1)

se omposed'unIRM

3

Tdédiéàlare her he etdedeuxIRM

1, 5

T liniques,surlesquels de multiplestravaux méthodologiqueset étudesen neuros ien es ognitivessont réalisés.

Ce manus rit est organisé en trois parties. La première expose le ontexte et l'objet de

l'étude,endé rivantlesaspe tsphysiologiquesetméthodologiquesde l'IRMfon tionnelle

ainsiquelesmotivationsetaspe ts te hniques del'imageriede lavasoréa tivité érébrale.

Lase ondepartietraitedesdéveloppementsméthodologiquesréalisésau oursdelathèse.

Après une étude bibliographique sur les te hniques de marquage des spins artériels, la

méthode développée et les optimisations de la séquen e RMN réalisées sont présentées.

Nousabordonsensuitelatroisièmepartie,sur l'appli ationde ette méthode àl'étudede

la vasoréa tivité érébrale. Tous les aspe ts te hniques de la mise en pla e de l'imagerie

de la vasoréa tivité sont présentés, de la mesure à l'analyse des résultats. Les premières

expérien es réalisées sont dé rites et suivies de la mise en appli ation de ette méthode

De façon générale, l'IRM fon tionnelle (IRMf) s'intéresse à l'étude de la fon tion d'un

organeplutt quel'étudede samorphologie.Ce iimplique laplupartdutemps lanotion

d'une dynamique des paramètres observés orrespondant à des variations de la fon tion

de l'organe étudié. La vaste majoritédes travaux en IRMf on erne le erveau et vise à

mieux omprendrelefon tionnementde elui- ien analysantlesrégionsquifon tionnent

ensemblepourréaliserdesa tionsetàidentierlesrégions érébralesquisontatteintespar

ertaines maladies.Lesparamètresmesurés en IRMfon tionnelle sontlereet des

onsé-quen eshémodynamiquesetmétaboliquesengendréesparlefon tionnementdesneurones

du erveau. De l'a tion au signal mesuré, une multitude d'évènements physiologiques et

métaboliques se produisent. Cette as ade d'évènements doit être bien ara térisée an

de mettre au point le plus nement possible les méthodes de mesure et d'interpréter

orre tement leurs résultats.

Dans ette partie, nous traitonsdes diérents aspe ts physiologiques etmétaboliques de

l'a tivité érébrale etnousdétaillonslesintérêtsetles méthodes de mesuredes diérents

paramètres a essibles en IRM fon tionnelle. Tout le fon tionnement n'est pas expli ité

i i, mais uniquement les termes et les onnaissan es importants à omprendre pour la

suite de l'exposé. L'intérêt et l'appli ationde es méthodes à l'étudede lavasoréa tivité

érébrale sont présentés.

Lepremier hapitreest onsa réàla ir ulationsanguine, ve teur del'oxygène etdes

nu-trimentsné essairesaufon tionnementdu erveau.Nousabordonslaperfusion érébrale,

phénomènephysiologiquequipermetd'alimenterlestissusenoxygèneetnutriments.Dans

le se ond hapitre, nous dé rivons lesdiérents paramètres physiologiques mesurables en

IRM fon tionnelle, ainsiqueleurs prin ipesde mesure.Ladernière se tion de e hapitre

s'arti ule autourde l'appli ationde es méthodesde mesureàl'imageriede la

vasoréa ti-vité érébrale.Unefois tous lesélémentsdu ontexte de l'étudeprésentés, nous abordons

Vas ularisation érébrale

Le erveau est omposé prin ipalement de deux types de ellules, les neurones et les

ellulesgliales. Il ontientenviron entmilliardsde neurones etentre dixà inquantefois

plus de ellulesgliales.Il existetrois typesde ellulesgliales:lesastro ytesqui entourent

les neurones et qui sont en onta t ave les vaisseaux érébraux, les oligodendro ytes

qui omposent la myéline, et la mi roglie qui intervient en as de lésion. Les neurones

sont liés entre eux par un grand nombre de onnexions, les synapses. En moyenne, un

neurone est onne té à inquantemilleautres neurones. L'inux nerveuxest transmisde

neurone enneurone par es synapsesquilibèrentdes neuromédiateurs.Lapropagationde

l'inux nerveux onsomme de l'énergiequi est fournie par la dégradationde

l'adénosine-triphosphate(ATP).Lesréservesde ettemolé ulesonttrèsfaiblesetsasynthèseparvoie

aérobie(quifournitleplusd'énergie)né essite duglu oseetdel'oxygène. Or,lesréserves

de glu ose sont négligeables dans le erveau. Par onséquent, les besoins énergétiques

sont ouverts par des apports ontinus de glu ose et d'oxygène qui sont a heminés vers

les tissuspar le sang àtravers lesvaisseaux sanguins.Une augmentationde l'a tivitédes

neurones entraîne une dilatationdes artériolesan d'a heminerune plus grandequantité

de nutriments pour soutenir ette hausse d'a tivité.

Le erveau de l'homme représente environ

2

% du poids total orporel et reçoit environ

15

% du sang délivré par le ÷ur [Williams and Leggett, 1989℄. Il est très sensible à des variationsoudes interruptionsd'apportsanguin.Desmé anismesphysiologiquesrégulent

la ir ulation érébrale ande maintenirun débitsanguin érébral onstantsur une large

gamme de onditions externes et internes. Ce i se fait aux dépens des autres organes si

né essaire.

Dans la première se tion de e hapitre les mé anismes de transport des métabolites

notammentl'oxygènesontévoqués.L'utilisationde esubstratparle erveauestdétaillée.

Une se onde se tionest onsa rée ausystème vas ulairequitransportele sangetpermet

lesé hangesdesmétabolitesentrelesangetlestissus.Ensuite,dansunetroisièmese tion,

le phénomène de perfusion érébrale est présenté etles modulationsfon tionnelles de e

1.1 Le transport des métabolites

1.1.1 Le sang

Lesang représente

8

%du orpshumain,soitunvolumed'environsixlitres. C'estun mé-langede omposants ellulairesensuspensiondansunliquideappeléplasmaquireprésente

55

%du volumetotal du sang.Chaque ellule,pourvivre,doit en permanen ere evoirde l'oxygène, des substan es nutritiveset éva uer des dé hets et du gaz arbonique. Le rle

du sang intervient par onséquent dans le transport : des gaz respiratoires (le dioxygène

etledioxyde de arbone),des nutriments,des hormones, desglobulesblan s, desdé hets

produits par l'organisme et de la haleur.

Le plasma ontient en moyenne

92

% d'eau qui fait o e de solvant. Les

8

% restant se répartissent par environ

7

% de protéines et

1

% d'autres solutés. Les protéines plasma-tiques sont omposées approximativement de

55

% d'albumine, de

38

% de globuline, de

7

% de brinogène et de quantités inmes d'hormones protéiques et d'enzymes. La fon -tion prin ipale de es protéines est de maintenir levolume de liquide qui ir ule dans les

vaisseauxsanguins.Lesautressolutéstransportésparleplasmasont:desnutriments,des

ellules, des hormones, des enzymes, des gaz dissous issus des pro essus de laventilation

pulmonaire ainsi que de nombreux éle trolytes.

Il existe trois typesde ellulessanguines : lesérythro ytes, lesleu o ytes etles

thrombo- ytes. Lagure 1.1représente es troiséléments.Lesérythro ytes ouglobulesrougessont

de petites ellules de

7 µ

m de diamètre, en formede disque aplatibi on ave. Ce sont les elluleslesplusnombreusesetlesplusspé ialiséesdel'organisme.Ilyen aentre

4

à

6

mil-lions par mm

3

de sang. Leur rle onsiste essentiellement à approvisionner les ellules en

oxygène età éliminerle dioxyde de arbone produit par es dernières. Cette fon tion est

possiblegrâ eauxmolé ulesd'hémoglobineetd'anhydrase arboniquequ'ils ontiennent.

Dans un globule rouge, on dénombre

280

millions de molé ules d'hémoglobine, e qui représente environ

30

%de son volume.

Fig.1.1Lestrois ellulesdusang.Agau he,unérythro yte.Au entre,unethrombo yte.

A droite un leu o yte. Figure extraite de www.futura-s ien es. om.

Les leu o ytes ou globules blan s sont des ellules qui, d'une façon générale, protègent

le orps ontre l'invasion de mi ro-organismes ou de produits himiques étrangers et qui

beau oup moinsnombreux que lesrouges, entre

5 000

et

10 000

par mm de sang, etleur diamètreest omprisentre

5

et

24 µ

m.

Les thrombo ytes ou plaquettes sont des débris ellulairesde

3 µ

m de diamètre qui pro-viennent de l'é latement d'énormes ellules de la moelle osseuse rouge. Leurs nombres

varient entre

250 000

et

400 000

par mm 3

de sang. Ces plaquettes jouent un rle très

importantdans la oagulationsanguine.

1.1.2 Le transport de l'oxygène dans le sang

L'oxygène est véhi ulé par le sang depuis les poumons jusqu'aux organes, grâ e à

l'hé-moglobine ontenue dans lesérythro ytes. Unlitrede sang artériel ontientune quantité

d'oxygène équivalente à environ

200

ml d'oxygène gazeux à la pression atmosphérique égale à

760

mmHg. L'oxygène est soitdissous dans le plasma, soitliéde façonréversible à lamolé uled'hémoglobine. L'oxygène est très peu soluble,seuls

3

mld'O

2

sont dissous

dansun litredesangàlapressionpartielleen oxygène danslesartères,soità

100

mmHg. Il yadon environ

98, 5

%del'oxygène quiest transporté danslesang parl'hémoglobine.

L'hémoglobine

L'hémoglobineest une protéine onstituée de quatre sous-unités liées ensemble. Cha une

d'elle est onstituée d'ungroupementmolé ulaire appeléhème etd'un polypeptide xéà

elui- i.Lesquatre polypeptidesd'une molé uled'hémoglobinesont olle tivement

appe-lés globine. Le nom de l'hémoglobine provient des deux mots : hème et globine. Chaque

groupement hèmed'une molé uled'hémoglobine ontientun ionde fer Fe 2+

sur lequel se

xe l'oxygène. Au total une molé ule d'hémoglobine peut xer quatre molé ules

d'oxy-gène. La xationd'une molé uled'oxygène sur une molé uled'hémoglobineentraîne une

modi ationde la onformation de l'hémoglobinequiaugmentel'anitédes trois autres

sites dexationpourl'oxygène. Ainsi,l'hémoglobineseretrouveleplussouventsoit

om-plètement oxygénée, soit omplètementdésoxygénée.

Le taux de saturation en oxygène de l'hémoglobine,

Y

, représente la proportion de mo-lé ules d'hémoglobinequi sont oxygénées, par rapport à laquantité totale des molé ules

d'hémoglobine, oxygénées

HbO

2

(oxyhémoglobine) et non oxygénées

dHb

(désoxyhémo-globine) :

Y =

HbO

2

HbO

2

+ dHb

(1.1)

Le fa teur prin ipalqui détermine le pour entage de saturation de l'hémoglobinepar de

l'oxygène est la pressionpartielle en oxygène dans lesang, notée

pO

2

.

L'eet de la pression partielle en oxygène sur la saturation de l'hémoglobine

La ourbe de disso iation entre l'oxygène et l'hémoglobine, appelée ourbe de Bar roft,

met en relation la saturation de l'hémoglobine par l'oxygène et la pression partielle en

oxygène.Laformede ette ourbeestunesigmoïde,surlaquelleondistingue deuxparties

Fig. 1.2 Courbe de disso iation oxygène- hémoglobine.

partiellesen oxygène omprises entre

10

et

60

mmHg. La se onde est relativement plate, pour des

pO

2

supérieures à

60

mmHg. Ainsi, la xation de l'oxygène sur l'hémoglobine augmentedefaçonimportantejusqu'à

60

mmHg,pressionàlaquelle

Y

estde

90

%.Apartir de ettepression,lesaugmentationssupplémentairesde

pO

2

s'a ompagnentd'unehausse

modéréede la saturation en oxygène de l'hémoglobine.Au niveau artériel,l'hémoglobine

est quasiment omplètement saturée, à environ

98

%. Lorsque la pression partielle en oxygène hute de

100

mmHg (dans les artères) à

40

mmHg (dans les apillaires), un dé ilitre de sang libère entre

4

et

5

ml d'oxygène pour

100

mlenviron.

Ceplateauestunfa teurdesé uritéen asdemaladiepulmonaireoudeséjourenaltitude

oùla

pO

2

estabaissée, arjusqu'àune

pO

2

de

60

mmHglaquantitéd'oxygènetransportée par l'hémoglobinereste pro he de

90

%.

Les modi ations de la ourbe de disso iation oxygène-hémoglobine

Plusieurs fa teurs modient la ourbe de disso iation oxygène-hémoglobine : la

pres-sion partielle en CO 2

, l'a idité du milieu, la température et la on entration en

2,3-diphosphogly érate (DPG) a

. L'augmentation de es fa teurs provoque un dépla ement

de la ourbevers ladroite: l'anitéde l'hémoglobinepour l'oxygène est alorsplus faible

pour une

pO

2

donnée. La diminution de l'anité de l'hémoglobine pour l'oxygène ave

la baisse du

pH

est appelée eet Bohr. Par onséquent, la aptation de l'oxygène est légèrementmoinsbonnepour des

pO

2

supérieuresà

80

mmHgettrèsnettementdiminuée pour des

pO

2

plus basses. En revan he, la distribution d'O 2

aux tissus est fa ilitée ar

l'

HbO

2

libère l'oxygène à des

pO

2

plus élevées qu'à la normale. Ce dépla ement vers la

droite se ren ontre lors d'unea tivité métaboliquea rue: augmentation de la

tempéra-ture,a idoseouhyper apnie. La apniedésignelaprésen e dedioxydede arbonedansle

plasma.Une hyper apnie ara tériseun étatoùla pressionpartielleen CO 2

dans lesang

est augmentée par rapportàsa valeurnormale,égaleà

40

mmHgdans lesangartériel.A a

Dansleglobulerougehumain,le2,3diphosphogly ératejoueunrlerégulateurfondamentaldansle transportdel'oxygène.Ilselieàl'hémoglobinedésoxygénée.Enstabilisant ette onformation,ilfa ilite lalibérationd'oxygènedanslestissus.

l'inverse, une diminution de la

pCO

2

est appelée hypo apnie.Plus un tissu est a tif,plus

sa

pCO

2

, sa température et sa on entration en protons sont élevées et par onséquent,

il y a une augmentation de l'oxygène libéré etfourni aux ellules de e tissu. A l'inverse,

une diminution de es fa teurs dépla e la ourbe à gau he e qui entraîne une anité

de l'hémoglobinepour l'oxygène plus fortepour une

pO

2

donnée. La saturation est alors

omplète au niveau alvéolaire et artériel. La distribution de l'oxygène aux tissus se fait

pour une

pO

2

plus faible qu'àla normale.

1.1.3 Utilisation de l'oxygène par le erveau

La onsommation d'oxygène (

CMRO

2

pour Cerebral Metaboli Rate of Oxygen) est un

paramètre physiologique intimement lié aux variations de l'a tivité neuronale et à

l'uti-lisation d'énergie par les tissus. La

CMRO

2

est dénie omme la quantité d'oxygène

onsommée parunité detemps etpour unemasse detissu donnée. Unevaleur typiquede

onsommation d'oxygène est de l'ordre de

2 µ

mol/g/mindans le ortex [Mintun et al., 1984℄.Leprin ipedeFi krelieletauxde onsommationd'oxygènedanslestissusaudébit

sanguin érébral etauniveaud'oxygénationveineusedu sang.Etantdonnéquel'oxygène

est transporté par les érythro ytes, leprin ipede Fi k s'é rit :

CMRO

2

= CBF × 4

Hb

tot

 (Y

a

− Y

v

)

(1.2)

Ave :



CBF

(CerebralBloodFlow),ledébitsanguin érébralenmlde sang/100gdetissu/min, 

[Hb

tot

_]

, la on entration totale d'hémoglobine (oxygénée et désoxygénée) en mole par

millilitrede sang,



Y

a

et

Y

v

, la saturation en oxygène du sang artériel etveineux.

Lefa teurquatre dansl'équation1.2tient omptedu faitqu'unemolé uled'hémoglobine

peut transporter quatre molé ules d'oxygène.

La fra tion d'extra tion en oxygène (

OEF

pour Oxygen Extra tion Fra tion) représente la diéren erelative de saturation en oxygène entre lesterritoires artériels etveineux.

OEF =

Y

a

− Y

v

Y

a

(1.3)

Dansdes onditionsphysiologiquesnormales,

Y

a

estpro hedeunet

Y

v

de

0, 6

.Lafra tion d'extra tion en oxygène est alors pro he de

40

%.

Lors de variations de l'état physiologique d'équilibre, en onsidérant que la saturation

artérielle en oxygène et que la on entration totale en hémoglobine sont onstantes, le

prin ipe de Fi k permet d'é rire les variations de onsommation d'oxygène omme la

somme des variations de débit sanguin érébral et de fra tion d'extra tion en oxygène

[Silbernahl and Despopoulos, 2001℄ :

△CMRO

2

CMRO

2|0

=

△CBF

CBF

0

−

△Y

v

(Y

a

− Y

v

)

0

=

△CBF

CBF

0

+

△OEF

OEF

0

Lestermesd'ordredeuxontété négligési i.Lesvaleursàl'étatinitialsontindiquéesave

indi e zéro.

Lors d'uneaugmentationde l'a tiviténeuronale,laquantité d'oxygène délivréeauxtissus

augmente beau oup moins que l'augmentation du débit sanguin érébral ar l'extra tion

d'oxygène diminue ave l'augmentation du

CBF

[Buxton and Frank, 1997℄. Des études lors de la modulation de l'a tivité neuronale rapportent un ratio entre les variations de

débit sanguin érébraletlesvariationsde onsommationd'oxygène allantde 2à5[Davis

et al., 1998, Kastrup et al.,2002, Hogeet al., 1999a, Marrett and Gjedde, 1997, Uludag

et al.,2004℄.

1.2 Le système vas ulaire

Le ÷ur doit assurer le transport du sang dans tout l'organisme an de garantir les

é hangesentre lesang etlestissus. Lesangquitte le ÷urparl'aorte,grosse artèrequise

ramieenvaisseauxdeplusenpluspetitsetdeplusenplusenplusnombreux:lesartères,

lesartériolespuisles apillaires.C'estauniveaudes apillairesques'ee tuentlesé hanges

entre les tissus et le sang. La densité moyenne des apillaires dans le erveau est de

400

apillairespar mm

2

[Iade olaandNedergaard, 2007℄.Ces apillairesseregroupentensuite

pourformerlesveinules,puis desvaisseaux deplusen plusgros,lesveines,quiàleurtour

donnent deux grossesveines qui rejoignent le ÷ur. Les ara téristiquesfon tionnelles et

stru turelles des vaisseaux sanguins se modient au fur et à mesure qu'ils se ramient.

Lesparoisde l'aorteetdes artèressontri hesen tissusélastiqueseten mus leslisses.Ces

vaisseaux onduisentlesangverslesdiérentsorganes,ave peuderésistan eauux.Leur

élasti itépermetde maintenirundébitsanguinimportant.Lesartériolesreçoiventlesang

à débit onstant et sont munies d'une paroi ontra tile qui régule le débit sanguin dans

un organe.Laparoides apillairesest ne,sans mus lelissenitissuélastique.Ce sontles

sphin terspré- apillairesquirégulentl'é oulementdu sangàleurniveau.Lalongueurdes

apillairesvariede

10

à

300 µ

m[Duvernoyetal.,1981℄etleurdiamètreestd'environ

5 µ

m b

[Pawliket al.,1981℄. La vitesse du sang àtravers les diérents vaisseaux est inversement

proportionnelleàlasurfa ede lase tion umulée de haquetypedevaisseaux.Lase tion

umulée des apillaires est beau oup plus grande que elle des artères. La vitesse et la

pression à l'intérieur des vaisseaux diminuent de l'aorte aux apillaires, permettant au

niveau des apillairesles é hanges entre les tissus et le sang, puis la vitesse ré-augmente

au niveau des veines. Les prin ipales propriétés du système vas ulaire (vitesse, se tion

umulée d'é hange...) sont données dans le tableau 1.1. La vitesse du sang dans l'aorte

est d'environ

30

m/s, elle se réduit onsidérablement pour atteindre moins de

1

mm/s auniveaudes apillaires.Lasurfa ede se tiondes apillairesestde

3500

m

2

soitenviron

175

fois plus importante que elle des grosses artères. Les artérioles, les apillaireset les veinules sont ommunément appelés lami ro ir ulation.

b

Leur diamètre est inférieur à elui del'érythro yte. Celui- ise déformepourpouvoir ir uler dans les apillaires.

A orte Grosses artères Bran hes artérielles Artérioles Capillaires V ein ules Bran hes v eineuses Grosses v eines V eines a v es Nombre 1 0,16.10

9

5.10

9

0,5.10

9

2 Pressionsanguine (mmHg) 100 40 25 20 2à4 Vitesse moyenne d'é oulement ( m.s -1 ) 30 18 5 1,5 0,02à 0,1 1 6 Diamètredes vaisseaux( m) 2,6 0,8 0,3à 0,06 0,002 9.10 -4 2,5.10 -3 0,15 à0,7 1,6 3,2 Surfa ede se tion de l'ensembledes vaisseauxpar atégorie ( m 2 ) 5,3 20 20 500 3500 2700 100 30 10 Volume de sang ( m

3

) 180 250 250 125 300 550 1550 900 250

Tab. 1.1  Propriétés des diérents vaisseaux au repos. D'après l'atlas de po he de

phy-siologie, [Silbernahl and Despopoulos, 2001℄

1.2.1 L'ar hite ture vas ulaire érébrale

Le sang arrive au erveau par les artères arotides internes gau he et droite quinaissent

dans le ou d'une bifur ation des artères arotides ommunes. Le erveau est également

alimentéparlesangissudesartèresvertébralesquiproviennentdesartèressous- lavières,

au niveau du thorax. Les artères vertébrales gau he et droite seréunissent et forme

l'ar-tère basilaire.Celle- i rejointla ir ulation venant des arotides internes dans un anneau

artérielàlabasedu erveau,quel'onappellelepolygonedeWillis(voirlagure1.3).Cet

anneau est un système de suppléan e vas ulairequi assure au erveau d'êtrealimentéen

sang même si une des artères du ou est lésée ouobstruée. A lasortie du polygone,trois

paires d'artères érébrales drainentlesang :l'antérieure, lamoyenne etlapostérieure qui

vas ulariselesrégions orrespondantesdu erveau.Cesartèressedivisentprogressivement

en petites artères, artérioles puis en apillaires.Le erveau est drainé par deux systèmes

de veines. Le sang qui provient du ortex traverse les veines à la surfa e du erveau et

rejoint le sinus veineux alors que elui qui arrive des régions profondes est olle té par

les veines entrales profondes. Le sang veineux quitte le erveau par les veines jugulaire

Fig. 1.3  Polygone de Willis, ave les artères entrantes et sortantes et les territoires

vas ulaires desservis, d'après un poster Sano, édité en 1995.

Fig. 1.4 Systèmeveineux du erveau, d'après Fun tionalBrain Imaging deWilliam W.

1.2.2 La barrière hémato-en éphalique

La barrière hémato-en éphalique (BHE), appelée aussi barrière sang- erveau, est une

membrane qui sépare les apillaires des ellules nerveuses. Les ellules de la paroi des

apillairessontliées entre ellespar desjon tionsserréesande régulerlestransfertsentre

le sang et le erveau. Ce type de jon tion ne s'observe pas dans les autres régions du

orps. En plus des jon tions serrées, les terminaisons en pied des astro ytes entourent

l'extérieur des ellules endothélialesdes apillaires[Nedergaard etal., 2003℄. Les ellules

endothéliales des apillaires, les astro ytes et les neurones forment e que l'on appelle

une uniténeurovas ulaire. Lessubstan es quisedissolventfa ilementdansla omposante

lipidique des membranes plasmiques traversent sans problème la BHE par diusion, tel

l'oxygène et le dioxyde de arbone. Les substan es peu liposolubles omme le glu ose,

et d'autres substrats importants du métabolisme érébral, se ombinent à des protéines

membranaires de transport situées sur les pieds astro ytaires [Iade ola and Nedergaard,

2007℄ an de passer la BHE. Ces éléments passent d'un té à l'autre de la BHE par

endo ytose. Lemouvementde l'eau àtravers laparoi des apillairessefaitpar ltration.

Le taux de ltrationest régit par l'équilibre de la pression hydrostatique intra- apillaire

ave le gradient de pression hydrostatique et osmotique. Le gradient de pression

hydro-statique représente ladiéren ede pressionentre le apillaireetleliquide interstitiel

.Le

gradient de pression osmotique est la diéren e de pression on otique d

entre le plasma

et le liquide interstitiel. Lorsque le sang arrive au niveau des apillaires, la pression de

ltrationàtravers laparoiestsupérieureàlapressionon otique,leliquidesedépla evers

l'espa einterstitiel.Al'inverse du otéveineux,leliquide entre dansle apillaire.La

bar-rière hémato-en éphaliqueest imperméable auxprotéines plasmatiques et auxmolé ules

de grandes tailles qui peuvent être dangereuses pour les neurones. Ainsi,la BHE isole le

système nerveux entraldu reste de l'organisme etassure ainsi sa prote tion.

1.3 La perfusion érébrale

1.3.1 Le débit sanguin érébral

Le sang fournit à toutes les ellules l'oxygène et les nutriments dont elles ont besoin. Le

débit sanguin érébral (

CBF

) représente la quantité de sang délivrée à une masse de tissu parunité de temps,soitenmlde sang/100gde tissu/min. Ledébitsanguin érébral

est une grandeur physique qui permet de ara tériser le phénomène physiologique de

perfusion érébrale(ou irrigationdu tissu érébral).Aurepos hez l'hommesain,le

CBF

est d'environ

50

à

60

ml/100g/min et il est maintenu dans ette gamme de valeurs par l'autorégulation. Le ouplage neurovas ulaire et la vasoréa tivité érébrale le modulent

par une modi ation du tonus vas ulaire au niveau artériolaire. Les apillaires et les

astro ytes sont en onta t ave lesneurones ausein de l'unité neurovas ulaire qui par la

libération de neurotransmetteurs modie le tonus vas ulaire onduisant à une variation

du débit sanguin érébral [Iade ola and Nedergaard, 2007℄.

Leliquideinterstitielsesitueentreles ellulestissulaires. d

La pressionon otique est la pressionexer ée par lesprotéines lorsqu'elles sonten solution dans le plasma.

1.3.2 Le volume sanguin érébral

Le volume sanguin, (

CBV

pour Cerebral Blood Volume),est déni omme le volume de sang ontenudanslami ro-vas ularisation(artérioles, apillairesetveinules)d'unvolume

de tissu érébral divisé par la masse du tissu ontenu dans e volume. Le volume

s'ex-prime en millilitres de sang pour 100 g de tissu, ou en fra tion volumique o upée par le

se teur sanguindans un voxel.Lesvaleurs de volume sanguin érébralrapportéesdans la

littérature sont omprises entre

2

et

5

ml/100gde tissu selonlarégion érébrale onsidé-rée. Le volume sanguin varie en fon tion des onditions physiologiques et pathologiques

(tumeurs, is hémies...).

Lors d'une modulation de l'a tivité neuronale, le volume sanguin érébral augmente

onjointement ave le débit sanguin érébral. Les variations du volume sanguin érébral

ontlieuprin ipalementdu otédesveinulesetveinespardilatationou ontra tionpassive

suiteàunemodulationdudébitsanguin érébral.Al'étatstatique,lavariationdevolume

est une onséquen e dire tede la variation du

CBF

. Grubb a établi la relationsuivante hez lesinge sous hyper apnie induitepar l'inhalation de CO

2 [Grubbet al.,1974℄ :

CBV

CBV

0

=

 CBF

CBF

0



α

(1.4) Lestermes

CBV

0 et

CBF

0

désignentlesvaleursinitialesde volumeetdébitsanguin

éré-bral.Grubb,trouveunevaleurdu oe ient

α

de

0, 38

.Aujourd'hui,larelationde Grubb estgénéralementutiliséepourestimerlesvariationsde

CBV

àpartirdesmodi ationsdu

CBF

. Cependant, les valeurs du oe ient

α

re ensées dans la littérature varient beau- oup. De nombreuses études ont été réalisées, ave diérentes modalités d'imagerie, lors

de lamodulationexpérimentale du débit sanguin érébralpar du CO 2

.Chezl'animal,un

α

pro hede

0, 4

aétédéterminé[Leeetal.,2001b,Mandevilleetal.,1999℄.Chezl'homme, des valeurs omprises entre

0, 29

et

0, 73

ont été rapportées ave de fortes disparités ré-gionales [Ito et al., 2003, Rostrup et al., 2005℄. Ces hétérogénéités sont sus eptibles de

reéter des diéren es entre lesméthodes de mesure [Grandinet al.,2005℄, la variabilité

régionaledeladensité apillaire[Cavagliaetal.,2001℄,lemé anismephysiologiqueutilisé

pourmodulerlaperfusion[Itoetal.,2001,2003℄,ledé alage temporelentrelesvariations

pré o es de

CBF

etde

CBV

qui reposent prin ipalementsur lesse teurs artériolaire et apillaire, et les variations plus tardives du

CBV

qui reposent davantage sur le se teur veineux [Ito etal., 2005,Kim et al.,2007, Lee et al.,2001b, Mandevilleet al.,1999℄.

1.4 Les variations fon tionnelles de la perfusion

éré-brale

1.4.1 Le ouplage neurovas ulaire

Le ouplageneurovas ulaire orrespondàl'augmentationlo aledudébit sanguin érébral

suite à une augmentation de l'a tivité neuronale. Ce ouplage a été observé il y a plus

d'un siè le [Roy and Sherrington, 1890℄. Depuis, plusieurs mé anismes ont été proposés

pour l'expliquer,tels que:

 l'a tiond'ions et de métabolites lo aux :

K

+

,

H

+

 l'a tionde neuromédiateurs ommeleglutamate,leGABA,ladopamine,lasérotonine,

l'a étyl holine [Fergus and Lee, 1997, Krimer et al., 1998, Reinhard et al., 1979, Sato

and Sato, 1992℄;

 lalibérationdela tate,provenantdu métabolismeanaérobie duglu ose,etde

métabo-litesdel'a ideara hidoniqueprovenantdumétabolismeduglutamateparlesastro ytes

[Jakov evi and Harder, 2007℄;

 lalibérationd'oxyde nitrique par lesneurones [Ran illa etal.,2006℄;

 l'innervation dire tede lamus ulature artériolaire [Krimeret al.,1998℄;

 la baisse de l'oxygénation initialeet de l'augmentationde la apnie lo ale [D'Esposito

etal., 2003℄.

L'augmentation du débit sanguin érébral est orrélée aux besoins en glu ose, en

par-ti ulier des astro ytes qui onvertissent la glutamine en glutamate (prin ipal

neuromé-diateur ex itateur) par gly olyse aérobie et anaérobie [Pellerin and Magistretti, 1994℄.

Cela onduità la libération de métabolites,de l'ATP, de

K

+

et de CO 2

qui ont un eet

vasodilatateur [Attwell and Iade ola, 2002℄. A la suite d'une augmentation de l'a tivité

neuronale, le débit est fortement augmenté, environ

30

à

50

% et jusqu'à

100

% pour des stimuliforts.

1.4.2 L'autorégulation de la perfusion érébrale

L'autorégulation de la perfusion est un mé anismequi permet de maintenir relativement

onstantelaperfusionlorsdevariationsdelatensionartérielle.Cetteparti ularitéesttrès

développée dans le erveau ar il requiert un haut degré d'homéostasie. Lorsque la

pres-sion de perfusion érébrale (diéren e entre la pression artérielle moyenne et la pression

intra rânienne)varieentre

40

et

120

mmHgenviron, laperfusion érébralereste onstante [Paulson et al.,1990℄. Cette gamme de pressions est appelée le plateau d'autorégulation

(voirlagure1.5). Larégulation estbasée surun mé anismequiinduitdes modi ations

de la résistan e vas ulaireen adaptant lediamètreartériolairesuite àune variationde la

pressionsanguine.Ainsi,dansle asd'unerédu tionde lapressionsanguine,lesartérioles

se dilatent pour maintenir la perfusion érébrale à son niveau. A l'inverse, si la pression

sanguine augmente, une vaso onstri tion se produit pour protéger le lit vas ulaire du

erveau. Quand lapression de perfusion érébrale ex ède leslimites du plateau

d'autoré-gulation, la résistan e des artères répond passivement à es hangements de pression, et

ledébitsanguin érébral augmenteoudiminuepassivement [Folino,2007℄.Une

hyperten-sion artériellepeut alors entraîner une augmentation du débit par vasodilatationpassive

ave un risque de rupture de la barrièrehémato-en éphaliqueetd'oedèmetissulaire,voir

d'hémorragie. A l'inverse, un ho hémodynamique peut s'a ompagner d'une rédu tion

passive du alibre artériolaire ave un risque d'is hémietissulaire.

1.4.3 La vasoréa tivité érébrale

La vasoréa tivité érébrale auxgaz ir ulants sedénit omme la apa ité des vaisseaux

à modier leur diamètre suite à un stimulus modulant la apnie, le

pH

ou la teneur en oxygène du sang. La variation du diamètre des vaisseaux érébraux module le débit

sanguin érébral. La vasoréa tivité a lieu prin ipalement au niveau artériolaire [Morii

Fig. 1.5 Courbe d'autorégulation de la perfusion érébrale. D'après Lang et al. [2003℄.

Une hyper apnie (voir la dénition dans la sous-se tion 1.1.2 page 26), en présen e

d'anhydrase arbonique, entraîne une augmentation de la produ tiond'ions bi arbonate

(

HCO

−

3

) et d'ions hydrogène (

H

+

) suite à la réa tion a ido-basique suivant l'équation

de Hendersson-Hasselba h :

CO

2

+ H

2

O ⇋ HCO

−

3

+ H

+

. Le tonus des mus les lisses vas ulaires est sensible au

pH

. Une diminution du

pH

onduit à une dilatation des ar-térioles. L'hyper apnie entraîne une hyperoxie par eet Bohr (voir la sous-se tion 1.1.2

page26)[SilbernahlandDespopoulos,2001℄.Lesmodi ationsdetonusvas ulairene

mo-dient pas la onsommation d'oxygène, par onséquent la saturation en oxygène induite

par l'hyper apnie est augmentée auniveau veineux [Kety and S hmidt,1948℄.

L'hypoxiequi orrespondàunediminutiondelapressionpartielleenO 2

augmenteledébit

sanguin érébral. Cependant,lesmé anismesde modulationde lavasoréa tivité sousune

hypoxie sontmal onnus. La régionventro-latéraledu bulbeest sensibleà l'hypoxie etsa

destru tion altère la vasodilatation à l'hypoxie mais ne modie pas la vasoréa tivité au

CO 2

[GolanovandReis,1996℄.L'adénosineseraitlemédiateurde ettevasodilatationlors

d'une hypoxie modérée alors que les ions

H

+

et

K

+

joueraient un rle en as d'hypoxie

sévère [Johnston et al.,2003℄.

L'hypo apnie tout omme l'hyperoxie ont des eets inverses sur la vasoréa tivité

éré-brale. L'hyperoxie entraîne une vaso onstri tion ainsi qu'une diminution de la pression

partielle en CO 2

qui tend à renfor er lavaso onstri tion des vaisseaux. Les eets

vas u-laires à l'hyperoxie seraient dûs à l'ina tivation de la vasodilatationNO-dépendante par

l'augmentation de radi aux libres

O

−

2

[Dem henko etal., 2002℄.

La vasoréa tivité est inuen ée par le sexe et l'âge. Elle est plus importante hez la

femme que l'homme d'environ

25

% [Kastrup et al., 1999b℄, et ellediminue ave l'âge en lienave lapertede tonusdu systèmevas ulaireau oursdu vieillissement[Rie keretal.,

d'un fa teur deux est obtenu lors de l'inhalation de

5

% de CO 2

[Si ard et al., 2003℄.

Les onditions physiologiques basales modient la vasoréa tivité : une vaso onstri tion

basale entraîne une réa tivité vas ulaire plus forte que si les vaisseaux étaient dilatés à

l'étatinitial[Si ardandDuong,2005℄.Lavasoréa tivitéestplusgrandedanslasubstan e

grise que dans la blan he [Vesely et al.,2001℄. Au sein de la matièregrise, des variations

régionales de vasoréa tivité sont observées. Elles pourraient être sous l'inuen e des

va-riations de ladensité mi rovas ulaire[Cavagliaet al.,2001℄, du tonusvas ulaire basal et

de la distribution hétérogène de neuromédiateurs vasomoteurs [D'Esposito et al., 2003℄.

Lesphénomènesvasomoteursquia ompagnentunemodulationd'a tiviténeuronalesont

di ilementdisso iablesde eux induits par des variationsde apnieet de on entration

en

H

+

.

Des altérations globales de la vasoréa tivité sont observées dans le as de pathologie

omme : l'hypertension artérielle hronique [Lavi et al., 2006℄, le diabète [Kadoi et al.,

2003℄, la mi roangiopathie [Bakker et al., 1999, Terborg et al., 2000, Hund-Georgiadis

et al.,2003℄, lestraumatismes râniens [Kelly etal.,1996, Munar etal.,2000, Lee etal.,

2001a℄,lamaladied'Alzheimer [Oishietal.,1999℄.Ilexiste égalementdesvariations

lo o-régionales:enavalde sténoseartérielle[Lythgoeetal.,2001,Vernierietal.,2001,Hamzei

et al.,2003℄,dans les épilepsies fo ales [Katayama et al.,1996, Weinand etal.,1995, Tae

et al., 2005℄ et dans le as d'a ident vas ulaire érébral [Rossini et al., 2004, Krainik

et al.,2005℄.

1.4.4 Variations fon tionnelles de la on entration en

désoxyhé-moglobine

Une variation de l'a tivité neuronale ou de la vasoréa tivité érébrale va moduler la

quantité de désoxyhémoglobine (

dHb

) présentedans un volumedonné du erveau. Cette on entration en

dHb

dépend de l'évolutiondes paramètres physiologiquesprésentés pré- édemment,àsavoir:la onsommationd'oxygène, ledébitetlevolumesanguin érébral.

Le tauxde produ tionde désoxyhémoglobine est dire tementproportionnelàla

onsom-mation d'oxygène et une augmentation de la

CMRO

2

tend à augmenter la quantité de désoxyhémoglobine présente dans le erveau. Une augmentation du

CBF

entraîne une hausse de l'oxygénationdu sang veineux (voir lasous-se tion1.1.3page 27) etpar

onsé-quentunediminutiondela on entrationen

dHb

.Cerehaussementdudébits'a ompagne d'une augmentation du volume sanguin érébral (voir la sous-se tion 1.3.2 page 32) qui

onduit à une quantité plus importante de sang partiellement désoxygéné, e qui réduit

l'eet de l'augmentation initiale de la perfusion. Dans l'ensemble, lors de modulations

physiologiques des paramètres métaboliques et hémodynamiques, les variations du débit

sanguin érébral sont généralement de bien plus grande ampleur que elles des autres

paramètres,sibien que 'estl'eet du

CBF

quidominelesvariationsde la on entration en désoxyhémoglobine dans le erveau.

1.5 Con lusion

Le erveau est un organe hautement alimenté en sang. Le réseau vas ulaire régule le

transportdu sang an de répondre aux besoins des tissus en oxygène eten glu ose

un é hange important entre les apillaires et les tissus. L'hémoglobine est le ve teur de

l'oxygène.La omplexitéde ettemolé uleetsonniveaud'anitéave l'oxygèneassurele

transportetla libérationde l'oxygène de manièretrès e a e pour subvenir auxbesoins

en oxygène des tissus. Une augmentation des besoins en oxygène des tissus érébraux

entraîneune ommuni ation étroiteausein del'uniténeurovas ulairequiprovoque

l'aug-mentation de la perfusion érébrale par une dilatation des artérioles, 'est le ouplage

neuro-vas ulaire. La perfusion érébrale est également modiée par la vasoréa tivité

IRM fon tionnelle de la perfusion

érébrale

L'IRMfon tionnelleest uneméthoded'imagerieparRMN,apparuedanslesannées1990,

qui explore de nombreux aspe ts du fon tionnement du erveau. L'IRMfest sensible aux

variationsrégionales de laperfusion érébrale, du volume sanguin érébral et de

l'oxygé-nationsanguine.Ellepermetde artographierles onséquen esphysiologiqueset

métabo-liquesde lamodi ationde l'a tivitééle triquedu erveau lorsdelaréalisationde tâ hes

ognitives, motri esoudu traitementde stimulisensitifs(visuels, ta tiles,auditifs...).En

linique, l'IRMf est utilisée pour artographier les aires fon tionnelles hez des patients

atteintsde diverses pathologies (tumeurs, traumatismes, épilepsies...),évaluer l'e a ité

de traitements ou pour dénir les mé anismes de la réorganisation orti ale ou d'une

ompensationsuite à une lésion.

Dans e hapitre, nous présentons dans une première se tion les bases physiques de la

RMN. Dansune deuxième se tion,lesméthodes de mesure des paramètresa essibles en

IRMf sontprésentées : débit sanguin érébral, volume sanguin érébral et signal

BOLD

. Dans une troisièmese tion, l'utilisationde es paramètres pour les études fon tionnelles

ognitivesest abordéeainsiqueleurutilisationpourl'IRMfdelavasoréa tivité érébrale.

2.1 Bases physiques de la RMN

LephénomènedeRésonan eMagnétiqueNu léaireaétéobservéparlesphysi iensPur ell

et Blo hindépendemment en 1946. Leur travaux leur ontpermisd'obtenir lePrix Nobel

de Physique en 1952.

2.1.1 Le magnétisme nu léaire

Le noyau de l'atome est onstitué de protons et de neutrons qui ont un mouvement de

rotation individuel autour d'un axe passant par leur entre. Une parti ule qui tourne

induitun moment inétiqueappeléspin inétique(tospin en anglaissignietourner).En

mé anique quantique e moment inétique

−

→

_I

s'é rit :

~

Une hargequitourneinduitautourd'elleun hampmagnétiqueauquelestasso iéun

mo-mentmagnétique.Ce momentmagnétique

−

→

µ

est représentéparun ve teurproportionnel au spin nu léaire :

−

→

_{µ = γ~}

−

→

_I

~

|µ| = γ~

pI(I + 1)

(2.2) ave :



γ

le rapportgyromagnétique. Savaleur dépend du noyau,

γ =

g×q

n

2m

n

(

g

est lefa teur de Landé,

q

n

la harge du noyau et

m

n

la massedu noyau),



I

lenombre quantique de spin,



~

la onstantede Plan k réduite,

~

= h/2π

.

Selon le modèle en ou he, au sein du noyau de l'atome, les nu léons se répartissent

sur diérentes ou hes d'énergie. Sur es ou hes, les neutrons d'une part et les protons

d'autre part s'apparient etleurs moments magnétiques s'annulent deux par deux an de

maintenir un niveau d'énergie nu léaire peu élevé et le plus stable possible. De e fait,

seul les atomes ànombre impair de nu léons possèdent un momentmagnétique.

2.1.2 Le phénomène de résonan e magnétique

Lorsque le moment magnétique est pla é dans un hamp magnétique

−

→

B

0

, orienté par onvention selon l'axe Z, sa omposante

z

peut prendre

2I + 1

valeurs, ha une possé-dant un niveau d'énergie qui lui est propre. Pour les appli ations en RMN, les noyaux

d'hydrogène présentent l'avantage d'être nombreux dans l'organisme et de posséder un

rapport gyromagnétique important,

γ = 2, 68 × 10

8

_{rad · s}

−1

_{· T}

−1

. De e fait, la RMN

étudie prin ipalementleproton.Pour e noyau

I = 1/2

,par onséquent lespin peut être uniquementdansdeuxétatsditsparallèleouanti-parallèle.Ladistributionstatistiquedes

spins sur lesniveaux d'énergie est donnée par la distributionde Boltzmann:

N

2

N

1

= exp(−

△E

kT

)

(2.3)

ave :



N

2

et

N

1

le nombre de protons pour ha une des deux dire tions, 

∆E

la diéren ed'énergie entre lesdeux niveaux,

∆E = γ~B

0

, 

k

la onstante de Boltzmann,

k = 1, 38 × 10

−23

_{J · K}

−1

,



T

la températureen Kelvin.

Les protons sont plus nombreux dans l'état parallèle qu'anti-parallèle, e qui génère un

ve teurd'aimantation

M

,orientédanslemême sensquele hampmagnétique

−

→

B

0

soiten z :

M = N

I(I + 1)~

2

_γ

2

3kT

B

0

(2.4)

= N

~

2

_γ

2

4kT

B

0

(2.5) ave :



N

lenombre total de spins.

La diéren e de populationentre les deux niveaux d'énergie est très faible.A

1, 5

T elle est de dix par million.

Les transitions entre les deux niveaux de spin peuvent donner lieu à l'émission ou

l'ab-sorptionde photonsave unefréquen e

ω

0

ditefréquen e deLarmor, telleque

~

ω

0

= ∆E

. Classiquement,on onsidère qu'en présen e d'un hamp magnétique

−

→

B

0

, lesprotons sont animés d'un mouvement de pré ession autourde

B

0

àla fréquen e de Larmor :

−

→

ω

0

= γ

−

B

→

0

(2.6)

2.1.3 Modi ation de l'état d'équilibre et relaxation

Lors d'une expérien e IRM, on génère ave une bobine RF émettri e un hamp

magné-tique

B

1

os illant à la fréquen e de Larmor.

B

1

est polarisé ir ulairement dans le plan (xy) perpendi ulaire à

B

0

. Ce hamp magnétique

B

1

est appliquépendant quelques mil-lise ondes, on parlealors d'impulsion RF.Ainsi l'aimantation,tout en pré essant autour

de

B

0

,vasemettreàpré esserautourde

B

1

àlafréquen e

−

→

ω

1

= γ

−

→

B

1

.Lorsquel'ex itation RF est arrêtée, l'aimantation retourne vers son état d'équilibre en pré essant, l'antenne

RF reçoit le signal des protons. La omposante transversale de l'aimantation diminue,

alors que la omposantelongitudinaleaugmente. La dé roissan e de l'aimantation

trans-versale traduit la perte de ohéren e entre les spins due à l'intera tion des spins entre

eux (relaxation spin-spin). La diminution de l'aimantation transversale se fait selon une

exponentielle dé roissante ave une onstante de temps égale à

T

2

, appelée le temps de relaxationtransversale.Larelaxationlongitudinaleestliéeàl'intera tiondesspinsave le

milieu(relaxationspin-réseau)et orrespond auretouràl'équilibrethermodynamiquedu

système. Cette relaxationest dé rite par une exponentielle roissanteave une onstante

de temps

T

1

, appelée le temps de relaxation longitudinal. Les valeurs des onstantes de temps

T

1

et

T

2

sont spé iques à haque tissu. Elles dépendent également de l'intensité du hamp magnétique statique

B

0

. A ause d'hétérogénéités du hamp magnétique, le déphasage entre les spins peut être a éléré, onduisant à une relaxation plus rapide du

système.Onnotela onstantede tempsde etterelaxation

T

∗

2

.Uneméthodepour suppri-merl'eetde eshétérogénéitésestlaséquen ed'é hodespinquipermetderefo aliserles

déphasages liés auxhétérogénéités du hamp statique tout en onservant lesintera tions

spin-spin dont le déphasage induitest irréversible.

Les équations de Blo h permettent de dé rire l'évolution de l'aimantation au ours du