Bases physiologiques, physiques et techniques du signal d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle d'activation cérébrale (IRMf)

Résumé du document

Ce document présente les bases physiologiques, physiques et techniques du signal d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle d'activation cérébrale (IRMf), décrit également sous l'acronyme « BOLD ». L'origine et le contraste BOLD obtenu en IRMf sont détaillés; le matériel et la nécessité d'un protocole expérimental (paradigme) sont présentés ; des perspectives de cette technique d'imagerie en termes de « multimodalités » clôturent ce document.

Extraits

[...] L'imagerie fonctionnelle a permis de progresser de façon significative dans l'univers des sciences cognitives, tout d'abord avec la Tomographie par Emission de Positons (TEP) et ensuite avec l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Ces deux techniques d'imagerie fonctionnelle sont sensibles à des variations locales de flux et de volume sanguins cérébraux. L'IRMf présente l'avantage d'être sensible à de très faibles variations locales de la concentration sanguine en oxygène, d'être non invasive et d'avoir une bonne résolution spatiotemporelle comparée à la TEP. [...]

[...] Puisqu'il s'agit en fait d'une technique de mesure indirecte de l'activité électrique et métabolique et que la réponse hémodynamique est difficilement quantifiable, alors un signal de référence (ligne de base) est indispensable, notamment dans le cas d'une étude d'exploration fonctionnelle de l'activité cérébrale, pour vérifier si les variations de signal induites par une composante d'intérêt de la tâche diffèrent statistiquement de celles de la ligne de base. Cette méthode de soustraction sera notamment utilisée dans le cas de la comparaison de conditions expérimentales. Origine et contraste du signal BOLD L'IRM fonctionnelle utilise comme agent de contraste une substance endogène, l'hémoglobine contenue dans les érythrocytes. Soumise à un champ magnétique statique, l'hémoglobine présente des propriétés magnétiques qui diffèrent suivant qu'elle est liée ou non à l'oxygène moléculaire. La désoxyhémoglobine (hémoglobine sans oxygène) présente des propriétés paramagnétiques (électrons non appariés) qui perturbent localement le champ magnétique. [...]

[...] Les courants ioniques produits par le potentiel d'action des axones et les activités synaptiques génèrent des potentiels de champ extracellulaires. L'enregistrement de l'activité neuronale avec des microélectrodes situées à distance d'un groupe de neurones capture des signaux électriques qui renseignent sur l'activité de sortie des neurones qui déchargent ensemble de façon synchrone et aussi sur l'activité synaptique et dendritique produite par les afférences. Les deux informations peuvent être dissociées pour fournir l'activité rapide de groupes de neurones et le potentiel lent de champ local qui donne des informations locales intégratives (potentiel post synaptique excitateur et inhibiteur, oscillation du potentiel de membrane). [...]

[...] La conséquence immédiate de ce champ inhomogène est un déphasage des spins (protons) tissulaires dans le voisinage des vaisseaux, une diminution du temps de relaxation transversale T2* et donc une chute de l'intensité de signal. Ainsi, le signal IRMf, induit et modulé par différents processus électriques et métaboliques, apparaît dans le voxel de l'image et dans les premiers instants de la mesure sous forme d'une intensité de signal légèrement diminuée (pas toujours observable sur les imageurs cliniques de 1,5 T). [...]

[...] Ainsi, le contraste obtenu en IRMf décrit également sous l'acronyme BOLD (Blood Oxygen Level Dependant) représenterait la signature des conséquences électrique, énergétique et hémodynamique de l'activité du cerveau. Comme évoqué précédemment, les mécanismes qui conduisent de l'activité neuronale à l'activité BOLD, sont difficilement quantifiables puisque partiellement élucidés. Malgré un certain nombre d'incertitudes sur la description exacte des mécanismes microscopiques à l'origine de l'activité neurovasculaire, une stimulation perceptive, cognitive ou somesthesique engendre dans différentes régions du cerveau une cascade de processus métaboliques qui accompagne l'activité neuronale. [...]