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L’imagerie par résonance magnétique cérébrale fonctionnelle en pratique clinique
J Radiol 2006;87:607-17 © Éditions Françaises de Radiologie, Paris, 2006
mise au point
neuroradiologie
L’imagerie par résonance magnétique cérébrale fonctionnelle en pratique clinique A Krainik (1, 2), C Rubin (1), S Grand (1, 2), O David (2), M Baciu (3), A Jaillard (2, 4) I Troprès (5), L Lamalle (5), H Duffau (6), JF Le Bas (1, 2), C Segebarth (2) et S Lehéricy (7)
Abstract
Résumé
Functional magnetic resonance imaging in clinical practice J Radiol 2006;87:607-17
Bien que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) soit devenue en dix ans la principale méthode d’imagerie fonctionnelle en Neurosciences, son utilisation clinique reste confidentielle. En dépit de difficultés méthodologiques et pratiques résiduelles, les résultats de l’IRMf chez les patients ont été validés par différentes méthodes (magnétoencéphalographie, test de Wada, stimulations électriques et magnétiques, lésions chirurgicales). En pratique neurochirurgicale, l’IRMf permet non seulement de localiser les régions fonctionnelles essentielles à la motricité et au langage mais également d’apprécier le risque de déficit post-opératoire, ses caractéristiques cliniques et évolutives ce qui permet de mieux informer le patient et de préparer les soins post-opératoires. L’IRMf permet également de localiser des foyers épileptogènes pharmaco-résistants de façon noninvasive. En pratique neurologique, l’IRMf fournit des éléments pronostiques après un AVC, tout en orientant le traitement médicamenteux et la rééducation. L’IRMf met en évidence des facteurs de risque de Maladie d’Alzheimer. L’imagerie de la réactivité cérébrovasculaire est prometteuse et pourrait devenir une nouvelle méthode de contraste radiologique.
In the last decade, functional MRI (fMRI) has become one of the most widely used functional imaging technique in neurosciences. However, its clinical applications remain limited. Despite methodological and practical issues, fMRI data has been validated by different techniques (magnetoencephalography, Wada test, electrical and magnetic stimulations, and surgical resections). In neurosurgical practice, fMRI can identify eloquent areas involved in motor and language functions, and may evaluate characteristics of postoperative neurological deficit including its occurrence, clinical presentation and duration. This may help to inform patients and to prepare postoperative care. fMRI may also identify epileptic foci. In neurological practice, fMRI may help to determine prognosis of recovery after stroke, appropriate medication, and rehabilitation. fMRI may help to identify patients at risk of developing Alzheimer disease. Finally, cerebrovascular reactivity imaging is an interesting approach that might provide new radiological insights of vascular function. Key words: Brain. Magnetic resonance imaging. Functional.
epuis son introduction au début des années 1990, l’IRM fonctionnelle (IRMf) s’est imposée comme une méthode non-invasive d’imagerie neurofonctionnelle de premier plan grâce à une résolution temporelle proche de la seconde et à une résolution spatiale de quelques millimètres. En utilisant le contraste BOLD (blood oxygenation level dependent), l’IRMf permet de suivre les modifications hémodynamiques induites par l’activité neuronale pour explorer les régions cérébrales fonctionnellement impliquées dans certaines tâches cognitives (1). L’innocuité de l’IRMf permet son utilisation répétée chez l’homme et en parti-
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(1) Service de Neuroradiologie – Unité IRM, CHU Grenoble. (2) Unité mixte UJF / INSERM U594, CHU Grenoble. (3) Laboratoire de Psychologie et Neurocognition – UPMF, Grenoble. (4) Unité Neuro-vasculaire – Département de Neurologie, CHU Grenoble. (5) IFR n° 1 – Grenoble. (6) Service de Neurochirurgie – GH Pitié-Salpêtrière, Paris. (7) Service de Neuroradiologie – GH Pitié-Salpêtrière, Paris. Correspondance : A Krainik, Unité IRM – CHU Grenoble, BP 217, 38043 Grenoble. E-mail : [email protected]
Mots-clés : Encéphale. Imagerie par résonance magnétique. fonctionnelle.
culier chez les sujets sains et les enfants. Bien que les mécanismes du couplage neurovasculaire à l’origine du contraste BOLD ne soient que partiellement élucidés, la validité des résultats de l’IRMf a été confirmée par des méthodes plus invasives chez l’animal et les patients. Ainsi, dix ans après son introduction en pratique clinique, il est licite de dresser un bilan à la lumière des attentes exprimées par les pionniers et des résultats obtenus chez les patients. Dans cette mise au point, nous aborderons les bases physiologiques du signal BOLD, les procédures d’acquisition et de traitement des images, les limites de la technique et les apports de l’IRMf en pratique clinique ainsi que ses perspectives.
Bases physiologiques de l’IRMf en contraste BOLD Les bases physiologiques de l’IRMf en contraste BOLD sont complexes et partiellement élucidées. Nous proposons une
synthèse des données récentes sur le sujet tout en soulignant l’intérêt d’excellentes revues de la littérature avec de nombreux schémas (2-8).
Métabolisme de l’activité cérébrale L’activité cérébrale comprend l’activité des neurones et celle des cellules gliales. Il existe différents moyens de communication intercellulaire, une transmission électrique par les jonctions « gap » et une transmission chimique par la libération de neurotransmetteurs soit dans l’espace synaptique avec une action locale, soit dans l’espace intercellulaire et pouvant agir à distance. La libération de neuromédiateurs (le glutamate étant le principal neuromédiateur excitateur) est déclenchée par une dépolarisation du potentiel membranaire qui chemine le long de l’axone (potentiel d’action). Les cellules gliales, et en particulier les astrocytes situés à proximité des synapses, jouent un rôle essentiel dans la recapture du glutamate qu’ils délivrent aux terminaisons
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axonales sous la forme de glutamine. Les échanges ioniques et les conversions enzymatiques nécessitent de l’énergie délivrée sous forme d’ATP dont la production nécessite du glucose métabolisé soit de façon aérobie en utilisant de l’oxygène, soit de façon anaérobie par glycolyse en mobilisant les réserves de glycogène et en libérant du lactate. Chez l’homme, 75 % des apports énergétiques sont consommés par l’activité post-synaptique (2). Le glucose et l’oxygène sont apportés par le sang artériel et extraits au niveau capillaire. L’augmentation de l’activité neuronale se traduit par une augmentation de la consommation d’oxygène et de glucose pour répondre à l’augmentation des besoins métaboliques. Cela conduit à une diminution de la concentration en oxyhémoglobine et à une augmentation de la déoxyhémoglobine. Ce déclin initial (initial dip) de l’oxygénation du sang sans effet hémodynamique associé pourrait être le plus fidèle marqueur de l’activité neuronale détectable en IRMf (9) mais sa mise en évidence demeure inconstante.
Le couplage neuro-vasculaire Une seconde environ après le début de l’activité neuronale, une réponse hémodynamique apparaît avec une augmentation très importante du débit sanguin cérébral régional (DSCr). Alors que l’augmentation du DSCr répond aux besoins accrus en glucose du cortex activé, les apports en oxygène sont exagérés par rapport à l’augmentation plus modérée de son extraction du secteur capillaire. De plus, la réponse hémodynamique intéresse une zone plus large que celle de l’activité neuronale (10). Toutefois, les mécanismes du couplage neuro-vasculaire restent en grande partie méconnus. Plusieurs signaux ont été proposés pour expliquer les modifications hémodynamiques induites par l’activité neuronale : • l’action de métabolites locaux tels que les ions K+, H+, l’adénosine diffusant passivement des synapses actives jusqu’aux cellules musculaires des parois artériolaires ; • l’action de neuromédiateurs tels que le glutamate, le GABA, la dopamine, la sérotonine, l’acétylcholine par diffusion périsynaptique ou par innervation vasculaire directe ; • la libération de lactate provenant du métabolisme anaérobie du glucose et de métabolites de l’acide arachidonique pro-
venant du métabolisme du glutamate par les astrocytes ; • la libération d’oxyde nitrique (NO) par les neurones ; • l’innervation directe de la musculature artériolaire ; • la baisse de l’oxygénation initiale et l’augmentation de la capnie locale (5).
Le signal BOLD En réponse à l’activité neuronale, la vasodilatation artériolaire et l’élévation du DSCr conduit à une vasodilatation passive des veinules et des veines par leur élasticité (balloon model). L’augmentation exagérée des apports en oxygène entraîne une hyperoxygénation du sang veineux reflétée par une augmentation de la concentration en oxyhémoglobine et une diminution de la concentration en déoxyhémoglobine. Or, la déoxyhémoglobine est paramagnétique. En altérant l’homogénéité du champ magnétique intra et périvasculaire, la déoxyhémoglobine diminue l’intensité du signal de précession émis (T2*) et constitue un véritable agent de contraste endogène. Ainsi en réponse à une activité neuronale, la diminution de la concentration en déoxyhémoglobine s’accompagne d’une augmentation de signal qui peut atteindre jusqu’à quelques pourcents (4). La relation entre l’activité neuronale et le signal BOLD est donc très indirecte, elle est modulée par un grand nombre de paramètres tels que la qualité et l’intensité de la réponse neuronale à un stimulus, le couplage neurovasculaire, les caractéristiques propres de la réponse hémodynamique, les paramètres instrumentaux de détection du signal (3). L’estimation de l’activité neuronale à partir de l’analyse du signal BOLD repose généralement sur l’hypothèse que leur relation est approximativement linéaire, ce qui n’exclut pas des liens complexes non-linéaires et des interactions entre les différents éléments de cette relation. Cette hypothèse a été étayée par plusieurs expériences couplant l’IRMf à différentes méthodes électrophysiologiques. Par exemple, en introduisant une électrode dans l’espace extracellulaire du cortex, il est possible d’enregistrer les activités électriques des centaines de neurones voisins. Avec un filtre passe-haut (> 300 Hz), on peut mesurer les décharges axonales multiunitaires, alors qu’avec un filtre passe-bas (< 200 Hz), on mesure les champs de potentiels locaux (local field potentials :
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LFP) d’origine synaptique et dendritique (6). D’après Logothétis et al., le signal BOLD serait davantage corrélé aux champs de potentiels locaux qu’à l’activité axonale multi-unitaire ce qui a amené les auteurs à conclure que le signal BOLD reflétait davantage les entrées électriques et leurs traitements intracorticaux que les décharges de sortie (11). Bien qu’il existe une corrélation entre les paramètres neurophysiologiques et le signal BOLD, cette relation peut varier selon les sites d’enregistrement et selon l’intensité du stimulus ce qui ne garantit pas une relation linéaire en tout point du cerveau. Pourtant les enregistrements unitaires tendent à montrer que le signal BOLD est grossièrement proportionnel à la fréquence des décharges neuronales (4). La précision spatiale du signal BOLD repose sur sa superposition au site d’activité neuronale. Il a été précédemment montré qu’une fraction importante du signal peut être due aux grosses veines de drainage situées à proximité des neurones activés (12, 13). Il est possible d’atténuer cet effet en optimisant le dessin expérimental avec l’utilisation de paradigme différentiel (soustraction de deux conditions d’activation différentes) et en se limitant à l’imagerie de perfusion cérébrale (échanges d’eau entre le secteur capillaire et parenchymateux) avec le marquage de spins artériels (4).
Acquisition
Les séquences Les séquences les plus sensibles à l’effet BOLD sont pondérées en T2* et donc réalisées en écho de gradient. Les séquences d’écho de gradient classiques ont des temps d’acquisition relativement long (résolution temporelle médiocre) ce qui limite le nombre d’images pouvant être acquis pendant une expérience. L’imagerie echo-planar (EPI) permet quant à elle de produire des images sensibles à l’effet BOLD quasi instantanément (14). Le principe de ce type d’acquisition est d’acquérir l’ensemble les informations (données brutes) nécessaires à la réalisation d’une image après une seule impulsion de radiofréquence. En pratique, l’acquisition d’une image prend entre 40 et 150 ms selon les paramètres de la séquence et le type d’imageur. Ces séquences permettent de disposer d’une J Radiol 2006;87
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excellente résolution temporelle. L’inconvénient principal de la technique provient de sa très grande sensibilité aux hétérogénéités du champ magnétique qui se manifeste par des zones d’hyposignal dans les régions où les différences de susceptibilité magnétique sont importantes. Il s’agit surtout des interfaces entre l’air et l’os à proximité des sinus de la face et de la base du crâne. Les déformations augmentent avec la puissance du champ magnétique et la durée d’acquisition. En pratique, ce phénomène limite la résolution spatiale que l’on peut obtenir en IRMf. Pour un champ de vue d’une vingtaine de centimètres, les images ont habituellement une résolution spatiale transversale de 64 × 64 pixels voire 128 × 128 pixels sur les imageurs les plus récents utilisés en pratique clinique (ce qui est loin de la résolution anatomique habituelle de l’IRM qui est de 256 × 256 ou même 512 × 512). Il est donc nécessaire de superposer ces données fonctionnelles obtenues en echo-planar à des coupes anatomiques de localisation identique mais de résolution spatiale supérieure (fig. 1) (7).
Le paradigme expérimental L’IRM ne fournit pas une information absolue sur le niveau d’activité cérébrale. En effet, il n’existe pas de méthode simple permettant d’évaluer quantitativement l’oxygénation, le flux et le volume sanguin cérébral à partir du signal IRM. La solution généralement adoptée consiste donc à mettre en évidence des activités relatives au cours d’une même expérience. Pour cela le paradigme expérimental permet de contraster un état d’activation à un état de référence selon le principe de la « soustraction cognitive ». Lorsque l’état de référence est une activité de repos, il s’agit d’un paradigme avec une condition simple. Lorsque l’état de référence est un autre état d’activation, il s’agit d’un paradigme différentiel. L’avantage principal du paradigme différentiel est de limiter les effets des grosses veines de drainage situées à proximité d’une région activée dans les deux conditions, il est ainsi possible d’obtenir une meilleure analyse de l’activation de cette région commune. La périodicité des états d’activité cognitive peut être également modulée. Un paradigme « en bloc » alternant des périodes d’activités de 30 s environ est le plus couramment utilisé en pratique clinique pour obtenir une large réponse hémodynamique (fig. 1). Les périodes d’activaJ Radiol 2006;87
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tion « en bloc » peuvent consister en une série d’actions identiques répétées rapidement (par exemple : mouvements des doigts à une fréquence de 1 Hz pour une activation motrice ou visualisation d’un damier alternant à une fréquence de 4 Hz pour une activation visuelle) ou au maintien d’une même action tout au long de la période d’activité (ex. : écoute d’histoire). Un paradigme « évènementiel » avec des états d’activation brefs distribués dans le temps de façon aléatoire permet de tirer profit de la résolution temporelle de la technique tout en limitant les phénomènes de préparation et d’apprentissage rapide qui peuvent apparaître au cours d’un paradigme « en bloc ». Cependant, la dynamique temporelle de la réponse hémodynamique est beaucoup plus longue (plusieurs secondes) que « l’évènement neuronal » sous-jacent (quelques dizaines ou centaines de millisecondes). Les stimuli doivent être espacés de manière à attendre la fin de la réponse hémodynamique ou l’analyse des données doit tenir compte des éventuels phénomènes de sommation vasculaire empêchant le retour du signal à la ligne de base. L’IRMf événementielle rapide demeure encore dans le domaine de la recherche.
Analyse La difficulté principale de l’analyse des données de l’IRMf est due aux faibles changements de signal induits par le contraste BOLD (de quelques pourcents au maximum) (risque de faux négatifs ou erreur de type II) et par le grand nombre de voxels mesurés (risque de faux positifs ou erreur de type I). Différentes méthodes ont été développées pour minimiser les effets confondants des mouvements du sujet (réalignement spatial des volumes d’acquisition) et du bruit (lissage spatial et filtrage temporel) (8). Il existe plusieurs méthodes pour identifier les voxels dont les variations de signal sont corrélées au paradigme d’activation. Le modèle général linéaire permet de calculer pour chaque voxel la relation entre le signal obtenu et le signal théorique modélisé par la réponse hémodynamique attendue. La première étape consiste donc à fournir un modèle théorique de la variation du signal au cours du temps. Ce modèle reprend les caractéristiques du paradigme d’activation et incorpore des corrections propres aux réponses hémo-
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dynamiques (en période d’activation, le signal croît rapidement puis plus lentement jusqu’à un plateau ; en période de repos, le signal décroît rapidement puis plus lentement jusqu’à un plateau). La deuxième étape consiste à estimer les paramètres du modèle théorique (β ou coefficients de régression linéaire) de façon à minimiser la variance de l’erreur résiduelle avec les données observées. La troisième étape consiste à tester les valeurs des coefficients de régression par rapport à 0 ou à celles obtenues sous une autre condition. A l’aide d’un test t de Student, il est ainsi possible d’isoler les voxels dont le signal dépend du paradigme d’activation et qui sont propres à un état cognitif donné. Il est possible de normaliser la distribution des valeurs de t (ou T) pour une moyenne de 0 et une variance de 1 ce qui donne des scores Z. Les seuils de significativité sont appliqués aux cartes statistiques obtenues afin de sélectionner les voxels garantissant une significativité inférieure à une valeur de p donnée (pour une analyse individuelle, une significativité p < 0,001 est habituellement retenue soit moins de 1 voxel sur 1 000 peut être « activé » à tort) et de sélectionner les amas de voxels significatifs contigus afin d’écarter les voxels isolés (pour une analyse individuelle, une activation d’un cm3 environ est habituellement retenue, soit une quinzaine de voxels de 4 × 4 × 4 mm) (8). En pratique clinique, les données individuelles sont primordiales. En neuropsychologie et en neurosciences, il est possible d’acquérir et de moyenner les données de plusieurs sujets après une normalisation spatiale afin de minimiser les différences anatomiques des sujets. Des méthodes d’analyse statistiques appropriées ont été développées afin de tenir compte de la variabilité intra-individuelle (effet fixe de la variable indépendante) voire des variabilités intra et inter-individuelles des mesures (effet aléatoire de la variable indépendante) (8).
Limites de la technique Les principales limites de la technique rencontrées en pratique clinique sont dues à la méthode d’acquisition des images T2* EG-EPI. Des vides de signal et des déformations sont visibles à proximité de la base du crâne et lorsqu’il existe un saignement, de fins débris osseux ou métalliques post-opératoires. De la même façon, la surcharge ferrique et calcique des
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Fig. 1 :
Exemple de procédure d’acquisition et de traitement d’une IRMf. Pendant la durée d’un TR, le volume cérébral est couvert par une trentaine d’images axiales de 4 mm jointives pondérées T2* en EG-EPI (TR/TE = 3 000/45 msec ; α = 90° ; FOV=(25,6 cm)2 ; matrice = 64 × 64). Cette acquisition est répétée au cours de la réalisation du paradigme expérimental (A). Le signal observé de chaque voxel au cours du temps (90 points oranges et courbe pointillée) est comparé au signal théorique (courbe grise) issu de la modélisation du paradigme d’activation alternant blocs de repos et blocs d’action (B) ce qui permet la production d’une cartographie statistique (C) secondairement superposée aux coupes anatomiques (D). Une cartographie d’activation est obtenue et permet la mise en évidence d’une activation du cortex sensori-moteur primaire (flèche) et de l’aire motrice supplémentaire (tête de flèche) gauches lors des mouvements simples de la main droite (E).
Fig. 1:
Example of fMRI data acquisition and processing. During a RT duration, the whole brain volume is scanned with thirty contiguous T2*-weighted GE-EPI axial sections. This acquisition is repeated throughout the paradigm duration (A). For each voxel, the temporal course of BOLD signal is compared to a theoretical signal modelized from a block paradigm alternating rest and action conditions (B) to generate a statistical map (C) overlaid on anatomical sections (D). The activation map shows left primary sensorimotor cortex (arrow) and supplementary motor area (arrowhead) during simple right hand movements (E).
Fig. 2 :
Artéfacts limitant l’analyse des données d’IRMf. D’importants artéfacts de susceptibilité magnétique responsables de vides de signal au sein desquels il est impossible d’étudier les variations du signal BOLD sont naturellement observés dans les régions orbitofrontales (flèche) (A) et temporo-basales, et, en cas d’hémorragie ou après intervention neurochirurgicale (B). Des artéfacts de mouvements sont surtout observés lorsque les mouvements de la tête sont en phase avec le paradigme. Ils sont principalement observés sur les interfaces entre le parenchyme cérébral et le liquide cérébro-spinal (C).
Fig. 2:
Limitations of fMRI data analysis due to artifacts. Macroscopic magnetic susceptibility artifacts are responsible for signal voids in the orbito-frontal (arrow) (A) and temporo-basal regions preventing BOLD signal analysis. Haemorrhage and craniotomy (B) may lead to similar artifacts. Movements artifacts are detected when head movements are in phase with the activation paradigm, and are located on the borders of brain tissue and CSF (C).
ganglions de la base, en particulier des pallidums et des noyaux de dentelés du cervelet, fréquemment observée chez les sujets âgés et dans certaines pathologies, altèrent la qualité du signal de ces régions qui apparaissent en hyposignal T2*. Les mouvements de la tête doivent être impérativement limités par une bonne contention car le signal des voxels situés à l’interface du parenchyme et du liquide cérébro-
spinal peut varier dès qu’il y a des mouvements en phase avec le paradigme et conduire à de fausses activations de topographie caractéristique (fig. 2). D’identification plus récente, le vieillissement, de multiples pathologies générales (HTA, diabète, …) et cérébrales globales (microangiopathie, …) ou focales (accident vasculaire cérébral, tumeur, malformation artério-veineuse, …), des traitements
médicamenteux peuvent modifier le principe physiologique du signal BOLD par des variations globales et régionales de la perfusion basale du parenchyme et de la réactivité cérébro-vasculaire (5, 15, 16). En toute rigueur, il serait nécessaire de normaliser le signal BOLD pour chaque voxel avec les caractéristiques anatomofonctionnelles de la vascularisation cérébrale afin d’éviter des interprétations J Radiol 2006;87
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Fig. 3 :
Principaux repères anatomo-fonctionnels d’une cartographie préchirurgicale. Le cortex moteur primaire est situé en avant du sillon central (A) reconnaissable directement à sa forme caractéristique d’oméga inversé (flèche) ou de proche en proche par l’identification du croisement du sillon frontal supérieur et du sillon précentral situé en avant du gyrus précentral (21, 22). Des mouvements simples de la main droite activent le cortex sensorimoteur primaire gauche (B). Les principales régions fonctionnelles du langage mises en évidence avec une tâche de détection de rimes sont disposées de part et d’autre des limites postérieure et antérieure du cortex operculaire qui recouvre l’insula représentées par le rameau ascendant postérieur du sillon latéral avec, en bas, l’aire de Wernicke et, au dessus, le gyrus supramarginal (C-D) et le rameau ascendant antérieur du sillon latéral avec l’aire de Broca (E-F).
Fig. 3:
Main anatomo-functional landmarks for presurgical mapping. Primary motor cortex is located anterior to the central sulcus (A) and can be identified by the shape of the hand knob, and is located posterior to the intersection of the superior frontal sulcus and precentral sulcus. Right hand movements elicit left primary sensorimotor cortex activation (B). Main eloquent areas for language elicited by a rhymes detection task are located along the posterior (ramus posterior of the sulcus lateralis) and anterior (ramus ascendens of the sulcus lateralis) limits of the opercular cortex that recovers the insula, with posterioly the Wernicke area, postero-superiorly the gyrus supramarginalis (C-D), and anteriorly the Broca area (E-F).
inappropriées en particulier chez les patients (16-18).
Applications cliniques Il y a dix ans, Denis Le Bihan soulignait déjà l’intérêt potentiel de l’IRMf pour la neurochirurgie (19). En effet, l’exérèse d’une lésion située à proximité de régions fonctionnelles présente un risque de déficit neurologique permanent (20) et l’IRMf s’est rapidement imposée comme une méthode de choix pour cartographier avant l’intervention les zones fonctionnelles à risque. Malgré d’importants développements méthodologiques, les autres applications cliniques de l’IRMf J Radiol 2006;87
demeurent confidentielles et leurs résultats sont souvent difficilement interprétables au niveau individuel. Toutefois, d’autres approches telles que l’étude de la réactivité cérébro-vasculaire sont en cours de développement.
Cartographie préopératoire des régions fonctionnelles Précédée d’une étude anatomique indispensable (fig. 3) (21, 22), l’analyse des données de l’IRMf permet de situer les régions corticales fonctionnelles par rapport à la lésion (23-29).
Motricité En utilisant des tâches simples de flexion/ extension des doigts, des orteils, de
contraction des lèvres, il est possible de repérer le cortex moteur primaire (fig. 4) avec son organisation somatotopique (28). Malgré les nombreuses approximations méthodologiques, la bonne capacité localisatrice de l’IRMf a été confirmée par plusieurs études comparatives utilisant les stimulations corticales peropératoires, la TEP, la magnétoencéphalographie (MEG) (23, 26, 28, 30-33). L’IRMf permet également de repérer la zone à risque de l’aire motrice supplémentaire (AMS), située sur la face médiale du lobe frontal en avant du lobule paracentral, dont l’exérèse s’accompagne d’un déficit transitoire, le syndrome de l’AMS. Contrairement au cortex moteur primaire, le bon pronostic spontané du déficit autorise la résection de l’AMS ce qui a
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Fig. 4 :
Rapports lésionnels avec les activations sensori-motrices primaires chez deux patients suivis pour des lésions gliales. Lors de mouvements de la main droite, les activations sensori-motrices primaires sont situées en arrière de la lésion frontale (AB) et en avant et en dehors de la lésion pariéto-frontale (C-D).
Fig. 4:
Primary sensorimotor activations in patients with gliomas. During right hand movements, primary sensorimotor activations are located posterioly to the left frontal tumor (A-B), and antero-laterally to the parieto-frontal tumor (C-D).
permis de valider la signification des activations par une approche lésionnelle et de montrer que l’exérèse des activations était le meilleur indicateur de survenue du déficit (fig. 5) (34). De plus, la présentation et la sévérité du déficit sont liées aux caractéristiques topographiques et volumétriques de l’exérèse des activations (35). Le calcul de l’exérèse des activations nécessite la segmentation des activations pré-opératoires et de la cavité d’exérèse post-opératoire. L’intersection de ces objets représente l’exérèse des activations qui peut être exprimée en unité volumique ou plus explicitement en pourcentage d’activation réséquée. Dans le cadre du syndrome de l’AMS, un déficit moteur était observé pour une résection de 33,3 à 100 % de l’activation de l’AMS obtenue lors de mouvements de la main controlatérale à la lésion (34).
Langage Lorsqu’une lésion est située à proximité du gyrus frontal inférieur (aire de Broca), du tiers postérieur du gyrus temporal supérieur (aire de Wernicke), du gyrus supramarginal, du gyrus angulaire, un déficit persistant du langage peut apparaître au décours de l’intervention lorsqu’elle intéresse l’hémisphère dominant pour le langage (20). L’hémisphère gauche est prédominant pour le langage chez 91 % des droitiers et 70 % des gauchers. Cependant, une prédominance droite est possible chez 5 % des droitiers et 15 % des gauchers (36). Pour déterminer la dominance hémisphérique, le test de Wada demeure l’examen de référence. Cette procédure consiste à injecter de façon sélective dans l’artère carotide interne un barbiturique qui anesthésie transitoirement l’hémisphère vascularisé pour supprimer les fonctions latéralisées du langage.
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Le test de Wada demeure un examen invasif, tributaire des variations anatomiques des artères intracrâniennes. De plus, le test de Wada ne permet pas de situer les régions impliquées dans le langage par rapport à une lésion. Pour ces raisons, la TEP puis l’IRMf ont été proposées pour remplacer cet examen invasif. Différentes tâches permettent d’accéder aux différentes fonctions du langage. Par exemple, l’écoute d’une histoire active préférentiellement les régions postérieures « sensitives » de la compréhension. Les tâches de fluence verbale silencieuse, telles que la fluence phonologique qui demande une production de mots avec une composante phonologique commune (partie initiale ou finale des mots) ou la fluence catégorielle qui demande une production de mots dans une catégorie sémantique donnée (noms de lieux, de fruits, …), activent préférentiellement les régions antérieures « exécutrices » (37). Des tâches mixtes, exécutrices et sensitives, telles que la détection de rimes activent les régions antérieures et postérieures (fig. 5) (38). La dominance hémisphérique peut être déterminée en calculant un index de latéralité (ILat) avec ILat = [(G-D)/G+D] (G le nombre de voxels activés dans l’hémisphère gauche et D ceux de l’hémisphère droit), ILat variant de +1 pour une latéralisation gauche exclusive à -1 pour une latéralisation droite exclusive, une absence de latéralisation significative étant définie par un ILat compris entre +0,2 et -0,2. Plusieurs études ont permis de valider cette méthode en comparant les données de l’IRMf à celles du test de Wada ou des stimulations corticales (37-42). La méthode « Flip » plus récente est basée sur la comparaison statistique directe interhémisphérique de l’activité cérébrale grâce au « retournement » gauche-droite des images. Cette méthode possède donc l’avantage d’indiquer si la différence interhémisphérique de l’activité cérébrale est statistiquement significative tout en conservant des informations spatiales (43). Si l’IRMf semble une technique performante pour définir la dominance hémisphérique pour le langage, il existe encore des réserves quant à sa capacité à localiser précisément les régions corticales participant au langage (42). Comme pour la motricité, l’aire motrice supplémentaire (AMS) et la préAMS (située en avant de l’AMS) participent à l’initiation de la parole et leur exérèse conduit à un déficit de production du lanJ Radiol 2006;87
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Fig. 5 :
Réorganisation corticale avant et après exérèse d’un gliome de bas grade de l’aire motrice supplémentaire droite (AMS). Chez un patient qui présente un gliome de bras grade de l’AMS droite (rangée intermédiaire), les mouvements de la main droite ipsilésionnelle (MD) s’accompagnent d’activations du cortex sensori-moteur primaire (têtes de flèche) et de l’AMS (flèches) controlatéraux comme les témoins (rangée supérieure). Avant l’intervention, les mouvements de la main gauche controlésionnelle (MG) montrent une réorganisation corticale avec une diminution de l’activation de l’AMS située à proximité de la lésion (étoile) et une augmentation de l’activation de l’AMS opposée. Cette réorganisation était plus importante lorsque la tumeur envahissait davantage l’AMS et favorisait une récupération précoce et rapide du déficit post-opératoire. Après l’intervention et la récupération du déficit (rangée inférieure), le cortex prémoteur latéral de l’hémisphère sain est recruté (46).
Fig. 5:
Cortical reorganization before and after resection of low-grade glioma of the right supplementary mortor area (SMA). In a patient with a low-grade glioma of the right SMA (middle row), ipsilesional movements (MD) elicit contralateral primary sensorimotor (arrowhead) and SMA (arrow) similar to controls (upper row). Contralesional movements (MG) reveal preoperative cortical reorganization with a decreased activation of the contralateral SMA and an increased activation of the ipsilateral SMA. Such reorganization was correlated with the SMA infiltration and with an earlier and faster recovery of the deficit. After surgery and recovery (lower row), the lateral premotor cortex of the healthy hemisphere was recruited (46).
gage dès lors qu’elle intéresse l’hémisphère dominant pour le langage. A nouveau, l’exérèse des activations de l’AMS et de la préAMS de l’hémisphère dominant obtenue avec une tâche de fluence catégorielle silencieuse est le meilleur indicateur de survenue du déficit (44).
Mémoire La sclérose mésiale de l’hippocampe est une cause d’épilepsie temporale dont la pharmaco-résistance peut conduire à l’exérèse chirurgicale de l’hippocampe. Or l’hippocampe est une structure importante pour l’encodage de la mémoire épisodique à long terme. Son exérèse peut J Radiol 2006;87
être responsable de troubles mnésiques post-opératoires invalidants. Comme pour le langage, le test de Wada permet d’évaluer la dominance hémisphérique pour la mémoire verbale. Cependant, les résultats de cette épreuve sont peu corrélés à la survenue des troubles mnésiques post-opératoires pour plusieurs raisons telles que la prédominance droite du rappel ou de l’encodage de la mémoire nonverbale. En utilisant une tâche de mémoire verbale, l’IRMf permet d’évaluer l’asymétrie entre les activations des hippocampes et de prédire le retentissement de l’exérèse de l’hippocampe gauche sur les performances mnésiques verbales (45).
Autres indications potentielles Pronostic de la récupération d’un déficit Chez les patients qui présentent une lésion lentement évolutive de l’AMS telle que le gliome de bas grade, l’importance des réorganisations corticales préopératoires avec, en particulier, le recrutement de l’AMS de l’hémisphère sain influence favorablement la vitesse de récupération du déficit (fig. 6) (46). Après un accident vasculaire cérébral ischémique du cortex moteur ou du langage, la récupération du déficit est plus favorable chez les patients qui recrutent les régions corticales adja-
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Fig. 6 :
Rapports lésionnels avec les régions fonctionnelles du langage chez un patient droitier suivi pour un gliome pariéto-frontal gauche. La détection de rimes montre une prédominance hémisphérique gauche pour le langage en coupes axiales (A-C) avec des activations postérieures (aire de Wernicke, gyrus supra-marginal) (flèches) situées en regard de la lésion (A-F). L’activation de aire de Broca est située en avant et à distance de la lésion (tête de flèche) (A, D).
Fig. 6:
Eloquent language areas in a right-handed patient with a parieto-frontal glioma. A rhymes detection task shows a left hemispheric predominance for language on axial sections (A-C) with posterior activations (Wernicke area, gyrus supramarginalis) (arrows) located laterally to the tumor (A-F). Broca area (arrowhead) is located anteriorly to the lesion (A, D).
centes à la lésion que chez les patients qui recrutent des régions situées à distance et, en particulier, dans l’autre hémisphère (47, 48). Les données de l’IRMf ont permis d’illustrer au niveau cortical les effets bénéfiques de la fluoxétine (Prozac®) sur la récupération des déficits post-ischémiques (49). Ainsi, l’IRMf permet de mieux informer le patient et d’organiser sa rééducation.
Localisation de foyers épileptogènes Chez les patients épileptiques, la possibilité récente d’enregistrer les pointes intercritiques en EEG au cours d’un examen d’IRMf peut permettre d’identifier le foyer épileptogène en déterminant a posteriori le modèle hémodynamique à partir de l’activité électroencéphalographique (50, 51). La méthodologie demeure délicate et nécessite des mises au point minutieuse. Les résultats de
l’IRMf/EEG actuellement en cours d’évaluation sont prometteurs (52).
Risque de maladie d’Alzheimer En comparant des sujets asymptomatiques présentant un risque de maladie d’Alzheimer (allèle 4 de l’apolipoprotéine E) à des sujets « normaux » (allèle 3 de l’apolipoprotéine E), Bookheimer et al. ont montré, à l’aide de tâches d’encodage et de rappel mnésiques, qu’il existait dans l’hémisphère gauche des sujets à risque une hyperactivation des régions du langage, du cortex dorso-latéral préfrontal, du cortex temporal interne et du lobe pariétal. Deux ans après l’examen, l’altération des performances mnésiques était corrélée à l’intensité des activations initiales (53). Ces résultats encourageants permettraient de sélectionner les sujets pouvant bénéficier d’un traite-
ment médicamenteux précoce. Toutefois, ces données ont été obtenues grâce à une analyse de groupe, ce qui en limite la portée individuelle.
Réactivité cérébro-vasculaire L’IRMf est une imagerie de la réactivité cérébro-vasculaire (RCV). Cette réactivité est utilisée largement pour illustrer de manière indirecte l’activité neuronale qui en est un des stimuli. Quelques études en IRMf se sont intéressées à la RCV qui peut être également stimulée par des agents vasoactifs tels que l’acétazolamide (Diamox®) et le CO2. En pratique clinique, il est possible de déterminer le risque d’accident vasculaire cérébral chez les sujets porteurs d’une sténose cérébro-vasculaire (54). Actuellement, la RCV est surtout mesurée à l’aide du Doppler trans-crânien et de la TEP. Cependant, la résolution spatiale et l’innocuité de l’IRJ Radiol 2006;87
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L’imagerie par résonance magnétique cérébrale fonctionnelle en pratique clinique
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tes. En permettant de cartographier les zones fonctionnelles à risque, les données de l’IRMf, idéalement intégrées dans le microscope chirurgical, associées aux autres méthodes de cartographie, telles que la tractographie en tenseur de diffusion (58) qui montre les principaux faisceaux de fibres nerveuses et surtout les stimulations électriques cortico-sous-corticales peropératoires, permettent d’améliorer la qualité de l’exérèse lésionnelle et le pronostic fonctionnel post-opératoire (30, 59, 60). Malgré des difficultés méthodologiques, des voies de recherche clinique ont été ouvertes telles que la localisation de foyers épileptogènes, le dépistage précoce de maladies neurodégénératives, l’imagerie de la réactivité cérébro-vasculaire. Les applications de l’IRMf en psychiatrie et en pharmacologie demeurent encore à ce jour du domaine de la recherche. Remerciements : Nous remercions le soutien financier de la Société Française de Radiologie, du GE W.D. Coolidge innovation grant de l’ECR R&E Fund et du PHRC2001-AOR01109.
Références 1.
Fig. 7 :
Fig. 7:
Imagerie de la réactivité cérébro-vasculaire aux variations de la capnie. L’hyperventilation s’accompagne d’une hypocapnie suivie d’une vasoconstriction et d’une chute du signal BOLD (couleurs froides) (A,C,D). L’inhalation de CO2 s’accompagne d’une hypercapnie suivie d’une vasodilatation et d’une élévation du signal BOLD de la substance grise (couleurs chaudes) (B). Chez les sujets sains (A,B), les variations de signal intéressent la substance grise (cortex et noyaux gris). Chez ces patients suivis pour une malformation artério-veineuse (étoile) (C) et pour un gliome de bas grade (étoile) (D), la réactivité vasculaire est diminuée dans le cortex frontal latéral et médian adjacent (flèches). Cerebrovascular reactivity imaging related to capnic changes. Hyperventilation induces hypocapnia leading to vasoconstriction and a BOLD signal decrease (cold colors) (A,C,D). CO2 inhalation induces hypercapnia leading to vasodilatation and a BOLD signal increase (hot colors) (B). In controls (A,B), signal changes are detected in the gray matter. In patients with an arteriovenous malformation (star) (C) and a low-grade glioma (D), vascular reactivity is decreased in adjacent lateral and medial frontal cortex (arrows).
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Mf permettent d’obtenir des cartographies fiables de la RCV essentiellement en utilisant l’inhalation de CO2 (hypercapnie vasodilatatrice) ou l’hyperventilation (hypocapnie vasoconstrictrice) (fig. 7) (55-57). En attendant que les applications cliniques de cette nouvelle approche de la fonction hémodynamique cérébrale se développent, les cartographies de RCV pourraient être utilisées pour normaliser le signal BOLD et mieux estimer l’activité neuronale chez les patients (16, 17). J Radiol 2006;87
Conclusion En France, dix ans après son introduction en pratique clinique, l’IRMf reste confidentielle, limitée à quelques rares centres hospitalo-universitaires dotés d’une activité neurochirurgicale et d’un environnement scientifique importants. Pourtant, l’acquisition et le traitement des images nécessitent un investissement informatique modeste puisqu’il est possible d’obtenir des résultats fiables en quelques minu-
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mise au point
neuroradiologie
L’imagerie par résonance magnétique cérébrale fonctionnelle en pratique clinique A Krainik (1, 2), C Rubin (1), S Grand (1, 2), O David (2), M Baciu (3), A Jaillard (2, 4) I Troprès (5), L Lamalle (5), H Duffau (6), JF Le Bas (1, 2), C Segebarth (2) et S Lehéricy (7)
Abstract
Résumé
Functional magnetic resonance imaging in clinical practice J Radiol 2006;87:607-17
Bien que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) soit devenue en dix ans la principale méthode d’imagerie fonctionnelle en Neurosciences, son utilisation clinique reste confidentielle. En dépit de difficultés méthodologiques et pratiques résiduelles, les résultats de l’IRMf chez les patients ont été validés par différentes méthodes (magnétoencéphalographie, test de Wada, stimulations électriques et magnétiques, lésions chirurgicales). En pratique neurochirurgicale, l’IRMf permet non seulement de localiser les régions fonctionnelles essentielles à la motricité et au langage mais également d’apprécier le risque de déficit post-opératoire, ses caractéristiques cliniques et évolutives ce qui permet de mieux informer le patient et de préparer les soins post-opératoires. L’IRMf permet également de localiser des foyers épileptogènes pharmaco-résistants de façon noninvasive. En pratique neurologique, l’IRMf fournit des éléments pronostiques après un AVC, tout en orientant le traitement médicamenteux et la rééducation. L’IRMf met en évidence des facteurs de risque de Maladie d’Alzheimer. L’imagerie de la réactivité cérébrovasculaire est prometteuse et pourrait devenir une nouvelle méthode de contraste radiologique.
In the last decade, functional MRI (fMRI) has become one of the most widely used functional imaging technique in neurosciences. However, its clinical applications remain limited. Despite methodological and practical issues, fMRI data has been validated by different techniques (magnetoencephalography, Wada test, electrical and magnetic stimulations, and surgical resections). In neurosurgical practice, fMRI can identify eloquent areas involved in motor and language functions, and may evaluate characteristics of postoperative neurological deficit including its occurrence, clinical presentation and duration. This may help to inform patients and to prepare postoperative care. fMRI may also identify epileptic foci. In neurological practice, fMRI may help to determine prognosis of recovery after stroke, appropriate medication, and rehabilitation. fMRI may help to identify patients at risk of developing Alzheimer disease. Finally, cerebrovascular reactivity imaging is an interesting approach that might provide new radiological insights of vascular function. Key words: Brain. Magnetic resonance imaging. Functional.
epuis son introduction au début des années 1990, l’IRM fonctionnelle (IRMf) s’est imposée comme une méthode non-invasive d’imagerie neurofonctionnelle de premier plan grâce à une résolution temporelle proche de la seconde et à une résolution spatiale de quelques millimètres. En utilisant le contraste BOLD (blood oxygenation level dependent), l’IRMf permet de suivre les modifications hémodynamiques induites par l’activité neuronale pour explorer les régions cérébrales fonctionnellement impliquées dans certaines tâches cognitives (1). L’innocuité de l’IRMf permet son utilisation répétée chez l’homme et en parti-
D
(1) Service de Neuroradiologie – Unité IRM, CHU Grenoble. (2) Unité mixte UJF / INSERM U594, CHU Grenoble. (3) Laboratoire de Psychologie et Neurocognition – UPMF, Grenoble. (4) Unité Neuro-vasculaire – Département de Neurologie, CHU Grenoble. (5) IFR n° 1 – Grenoble. (6) Service de Neurochirurgie – GH Pitié-Salpêtrière, Paris. (7) Service de Neuroradiologie – GH Pitié-Salpêtrière, Paris. Correspondance : A Krainik, Unité IRM – CHU Grenoble, BP 217, 38043 Grenoble. E-mail : [email protected]
Mots-clés : Encéphale. Imagerie par résonance magnétique. fonctionnelle.
culier chez les sujets sains et les enfants. Bien que les mécanismes du couplage neurovasculaire à l’origine du contraste BOLD ne soient que partiellement élucidés, la validité des résultats de l’IRMf a été confirmée par des méthodes plus invasives chez l’animal et les patients. Ainsi, dix ans après son introduction en pratique clinique, il est licite de dresser un bilan à la lumière des attentes exprimées par les pionniers et des résultats obtenus chez les patients. Dans cette mise au point, nous aborderons les bases physiologiques du signal BOLD, les procédures d’acquisition et de traitement des images, les limites de la technique et les apports de l’IRMf en pratique clinique ainsi que ses perspectives.
Bases physiologiques de l’IRMf en contraste BOLD Les bases physiologiques de l’IRMf en contraste BOLD sont complexes et partiellement élucidées. Nous proposons une
synthèse des données récentes sur le sujet tout en soulignant l’intérêt d’excellentes revues de la littérature avec de nombreux schémas (2-8).
Métabolisme de l’activité cérébrale L’activité cérébrale comprend l’activité des neurones et celle des cellules gliales. Il existe différents moyens de communication intercellulaire, une transmission électrique par les jonctions « gap » et une transmission chimique par la libération de neurotransmetteurs soit dans l’espace synaptique avec une action locale, soit dans l’espace intercellulaire et pouvant agir à distance. La libération de neuromédiateurs (le glutamate étant le principal neuromédiateur excitateur) est déclenchée par une dépolarisation du potentiel membranaire qui chemine le long de l’axone (potentiel d’action). Les cellules gliales, et en particulier les astrocytes situés à proximité des synapses, jouent un rôle essentiel dans la recapture du glutamate qu’ils délivrent aux terminaisons
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L’imagerie par résonance magnétique cérébrale fonctionnelle en pratique clinique
axonales sous la forme de glutamine. Les échanges ioniques et les conversions enzymatiques nécessitent de l’énergie délivrée sous forme d’ATP dont la production nécessite du glucose métabolisé soit de façon aérobie en utilisant de l’oxygène, soit de façon anaérobie par glycolyse en mobilisant les réserves de glycogène et en libérant du lactate. Chez l’homme, 75 % des apports énergétiques sont consommés par l’activité post-synaptique (2). Le glucose et l’oxygène sont apportés par le sang artériel et extraits au niveau capillaire. L’augmentation de l’activité neuronale se traduit par une augmentation de la consommation d’oxygène et de glucose pour répondre à l’augmentation des besoins métaboliques. Cela conduit à une diminution de la concentration en oxyhémoglobine et à une augmentation de la déoxyhémoglobine. Ce déclin initial (initial dip) de l’oxygénation du sang sans effet hémodynamique associé pourrait être le plus fidèle marqueur de l’activité neuronale détectable en IRMf (9) mais sa mise en évidence demeure inconstante.
Le couplage neuro-vasculaire Une seconde environ après le début de l’activité neuronale, une réponse hémodynamique apparaît avec une augmentation très importante du débit sanguin cérébral régional (DSCr). Alors que l’augmentation du DSCr répond aux besoins accrus en glucose du cortex activé, les apports en oxygène sont exagérés par rapport à l’augmentation plus modérée de son extraction du secteur capillaire. De plus, la réponse hémodynamique intéresse une zone plus large que celle de l’activité neuronale (10). Toutefois, les mécanismes du couplage neuro-vasculaire restent en grande partie méconnus. Plusieurs signaux ont été proposés pour expliquer les modifications hémodynamiques induites par l’activité neuronale : • l’action de métabolites locaux tels que les ions K+, H+, l’adénosine diffusant passivement des synapses actives jusqu’aux cellules musculaires des parois artériolaires ; • l’action de neuromédiateurs tels que le glutamate, le GABA, la dopamine, la sérotonine, l’acétylcholine par diffusion périsynaptique ou par innervation vasculaire directe ; • la libération de lactate provenant du métabolisme anaérobie du glucose et de métabolites de l’acide arachidonique pro-
venant du métabolisme du glutamate par les astrocytes ; • la libération d’oxyde nitrique (NO) par les neurones ; • l’innervation directe de la musculature artériolaire ; • la baisse de l’oxygénation initiale et l’augmentation de la capnie locale (5).
Le signal BOLD En réponse à l’activité neuronale, la vasodilatation artériolaire et l’élévation du DSCr conduit à une vasodilatation passive des veinules et des veines par leur élasticité (balloon model). L’augmentation exagérée des apports en oxygène entraîne une hyperoxygénation du sang veineux reflétée par une augmentation de la concentration en oxyhémoglobine et une diminution de la concentration en déoxyhémoglobine. Or, la déoxyhémoglobine est paramagnétique. En altérant l’homogénéité du champ magnétique intra et périvasculaire, la déoxyhémoglobine diminue l’intensité du signal de précession émis (T2*) et constitue un véritable agent de contraste endogène. Ainsi en réponse à une activité neuronale, la diminution de la concentration en déoxyhémoglobine s’accompagne d’une augmentation de signal qui peut atteindre jusqu’à quelques pourcents (4). La relation entre l’activité neuronale et le signal BOLD est donc très indirecte, elle est modulée par un grand nombre de paramètres tels que la qualité et l’intensité de la réponse neuronale à un stimulus, le couplage neurovasculaire, les caractéristiques propres de la réponse hémodynamique, les paramètres instrumentaux de détection du signal (3). L’estimation de l’activité neuronale à partir de l’analyse du signal BOLD repose généralement sur l’hypothèse que leur relation est approximativement linéaire, ce qui n’exclut pas des liens complexes non-linéaires et des interactions entre les différents éléments de cette relation. Cette hypothèse a été étayée par plusieurs expériences couplant l’IRMf à différentes méthodes électrophysiologiques. Par exemple, en introduisant une électrode dans l’espace extracellulaire du cortex, il est possible d’enregistrer les activités électriques des centaines de neurones voisins. Avec un filtre passe-haut (> 300 Hz), on peut mesurer les décharges axonales multiunitaires, alors qu’avec un filtre passe-bas (< 200 Hz), on mesure les champs de potentiels locaux (local field potentials :
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LFP) d’origine synaptique et dendritique (6). D’après Logothétis et al., le signal BOLD serait davantage corrélé aux champs de potentiels locaux qu’à l’activité axonale multi-unitaire ce qui a amené les auteurs à conclure que le signal BOLD reflétait davantage les entrées électriques et leurs traitements intracorticaux que les décharges de sortie (11). Bien qu’il existe une corrélation entre les paramètres neurophysiologiques et le signal BOLD, cette relation peut varier selon les sites d’enregistrement et selon l’intensité du stimulus ce qui ne garantit pas une relation linéaire en tout point du cerveau. Pourtant les enregistrements unitaires tendent à montrer que le signal BOLD est grossièrement proportionnel à la fréquence des décharges neuronales (4). La précision spatiale du signal BOLD repose sur sa superposition au site d’activité neuronale. Il a été précédemment montré qu’une fraction importante du signal peut être due aux grosses veines de drainage situées à proximité des neurones activés (12, 13). Il est possible d’atténuer cet effet en optimisant le dessin expérimental avec l’utilisation de paradigme différentiel (soustraction de deux conditions d’activation différentes) et en se limitant à l’imagerie de perfusion cérébrale (échanges d’eau entre le secteur capillaire et parenchymateux) avec le marquage de spins artériels (4).
Acquisition
Les séquences Les séquences les plus sensibles à l’effet BOLD sont pondérées en T2* et donc réalisées en écho de gradient. Les séquences d’écho de gradient classiques ont des temps d’acquisition relativement long (résolution temporelle médiocre) ce qui limite le nombre d’images pouvant être acquis pendant une expérience. L’imagerie echo-planar (EPI) permet quant à elle de produire des images sensibles à l’effet BOLD quasi instantanément (14). Le principe de ce type d’acquisition est d’acquérir l’ensemble les informations (données brutes) nécessaires à la réalisation d’une image après une seule impulsion de radiofréquence. En pratique, l’acquisition d’une image prend entre 40 et 150 ms selon les paramètres de la séquence et le type d’imageur. Ces séquences permettent de disposer d’une J Radiol 2006;87
A Krainik et al.
excellente résolution temporelle. L’inconvénient principal de la technique provient de sa très grande sensibilité aux hétérogénéités du champ magnétique qui se manifeste par des zones d’hyposignal dans les régions où les différences de susceptibilité magnétique sont importantes. Il s’agit surtout des interfaces entre l’air et l’os à proximité des sinus de la face et de la base du crâne. Les déformations augmentent avec la puissance du champ magnétique et la durée d’acquisition. En pratique, ce phénomène limite la résolution spatiale que l’on peut obtenir en IRMf. Pour un champ de vue d’une vingtaine de centimètres, les images ont habituellement une résolution spatiale transversale de 64 × 64 pixels voire 128 × 128 pixels sur les imageurs les plus récents utilisés en pratique clinique (ce qui est loin de la résolution anatomique habituelle de l’IRM qui est de 256 × 256 ou même 512 × 512). Il est donc nécessaire de superposer ces données fonctionnelles obtenues en echo-planar à des coupes anatomiques de localisation identique mais de résolution spatiale supérieure (fig. 1) (7).
Le paradigme expérimental L’IRM ne fournit pas une information absolue sur le niveau d’activité cérébrale. En effet, il n’existe pas de méthode simple permettant d’évaluer quantitativement l’oxygénation, le flux et le volume sanguin cérébral à partir du signal IRM. La solution généralement adoptée consiste donc à mettre en évidence des activités relatives au cours d’une même expérience. Pour cela le paradigme expérimental permet de contraster un état d’activation à un état de référence selon le principe de la « soustraction cognitive ». Lorsque l’état de référence est une activité de repos, il s’agit d’un paradigme avec une condition simple. Lorsque l’état de référence est un autre état d’activation, il s’agit d’un paradigme différentiel. L’avantage principal du paradigme différentiel est de limiter les effets des grosses veines de drainage situées à proximité d’une région activée dans les deux conditions, il est ainsi possible d’obtenir une meilleure analyse de l’activation de cette région commune. La périodicité des états d’activité cognitive peut être également modulée. Un paradigme « en bloc » alternant des périodes d’activités de 30 s environ est le plus couramment utilisé en pratique clinique pour obtenir une large réponse hémodynamique (fig. 1). Les périodes d’activaJ Radiol 2006;87
L’imagerie par résonance magnétique cérébrale fonctionnelle en pratique clinique
tion « en bloc » peuvent consister en une série d’actions identiques répétées rapidement (par exemple : mouvements des doigts à une fréquence de 1 Hz pour une activation motrice ou visualisation d’un damier alternant à une fréquence de 4 Hz pour une activation visuelle) ou au maintien d’une même action tout au long de la période d’activité (ex. : écoute d’histoire). Un paradigme « évènementiel » avec des états d’activation brefs distribués dans le temps de façon aléatoire permet de tirer profit de la résolution temporelle de la technique tout en limitant les phénomènes de préparation et d’apprentissage rapide qui peuvent apparaître au cours d’un paradigme « en bloc ». Cependant, la dynamique temporelle de la réponse hémodynamique est beaucoup plus longue (plusieurs secondes) que « l’évènement neuronal » sous-jacent (quelques dizaines ou centaines de millisecondes). Les stimuli doivent être espacés de manière à attendre la fin de la réponse hémodynamique ou l’analyse des données doit tenir compte des éventuels phénomènes de sommation vasculaire empêchant le retour du signal à la ligne de base. L’IRMf événementielle rapide demeure encore dans le domaine de la recherche.
Analyse La difficulté principale de l’analyse des données de l’IRMf est due aux faibles changements de signal induits par le contraste BOLD (de quelques pourcents au maximum) (risque de faux négatifs ou erreur de type II) et par le grand nombre de voxels mesurés (risque de faux positifs ou erreur de type I). Différentes méthodes ont été développées pour minimiser les effets confondants des mouvements du sujet (réalignement spatial des volumes d’acquisition) et du bruit (lissage spatial et filtrage temporel) (8). Il existe plusieurs méthodes pour identifier les voxels dont les variations de signal sont corrélées au paradigme d’activation. Le modèle général linéaire permet de calculer pour chaque voxel la relation entre le signal obtenu et le signal théorique modélisé par la réponse hémodynamique attendue. La première étape consiste donc à fournir un modèle théorique de la variation du signal au cours du temps. Ce modèle reprend les caractéristiques du paradigme d’activation et incorpore des corrections propres aux réponses hémo-
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dynamiques (en période d’activation, le signal croît rapidement puis plus lentement jusqu’à un plateau ; en période de repos, le signal décroît rapidement puis plus lentement jusqu’à un plateau). La deuxième étape consiste à estimer les paramètres du modèle théorique (β ou coefficients de régression linéaire) de façon à minimiser la variance de l’erreur résiduelle avec les données observées. La troisième étape consiste à tester les valeurs des coefficients de régression par rapport à 0 ou à celles obtenues sous une autre condition. A l’aide d’un test t de Student, il est ainsi possible d’isoler les voxels dont le signal dépend du paradigme d’activation et qui sont propres à un état cognitif donné. Il est possible de normaliser la distribution des valeurs de t (ou T) pour une moyenne de 0 et une variance de 1 ce qui donne des scores Z. Les seuils de significativité sont appliqués aux cartes statistiques obtenues afin de sélectionner les voxels garantissant une significativité inférieure à une valeur de p donnée (pour une analyse individuelle, une significativité p < 0,001 est habituellement retenue soit moins de 1 voxel sur 1 000 peut être « activé » à tort) et de sélectionner les amas de voxels significatifs contigus afin d’écarter les voxels isolés (pour une analyse individuelle, une activation d’un cm3 environ est habituellement retenue, soit une quinzaine de voxels de 4 × 4 × 4 mm) (8). En pratique clinique, les données individuelles sont primordiales. En neuropsychologie et en neurosciences, il est possible d’acquérir et de moyenner les données de plusieurs sujets après une normalisation spatiale afin de minimiser les différences anatomiques des sujets. Des méthodes d’analyse statistiques appropriées ont été développées afin de tenir compte de la variabilité intra-individuelle (effet fixe de la variable indépendante) voire des variabilités intra et inter-individuelles des mesures (effet aléatoire de la variable indépendante) (8).
Limites de la technique Les principales limites de la technique rencontrées en pratique clinique sont dues à la méthode d’acquisition des images T2* EG-EPI. Des vides de signal et des déformations sont visibles à proximité de la base du crâne et lorsqu’il existe un saignement, de fins débris osseux ou métalliques post-opératoires. De la même façon, la surcharge ferrique et calcique des
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Fig. 1 :
Exemple de procédure d’acquisition et de traitement d’une IRMf. Pendant la durée d’un TR, le volume cérébral est couvert par une trentaine d’images axiales de 4 mm jointives pondérées T2* en EG-EPI (TR/TE = 3 000/45 msec ; α = 90° ; FOV=(25,6 cm)2 ; matrice = 64 × 64). Cette acquisition est répétée au cours de la réalisation du paradigme expérimental (A). Le signal observé de chaque voxel au cours du temps (90 points oranges et courbe pointillée) est comparé au signal théorique (courbe grise) issu de la modélisation du paradigme d’activation alternant blocs de repos et blocs d’action (B) ce qui permet la production d’une cartographie statistique (C) secondairement superposée aux coupes anatomiques (D). Une cartographie d’activation est obtenue et permet la mise en évidence d’une activation du cortex sensori-moteur primaire (flèche) et de l’aire motrice supplémentaire (tête de flèche) gauches lors des mouvements simples de la main droite (E).
Fig. 1:
Example of fMRI data acquisition and processing. During a RT duration, the whole brain volume is scanned with thirty contiguous T2*-weighted GE-EPI axial sections. This acquisition is repeated throughout the paradigm duration (A). For each voxel, the temporal course of BOLD signal is compared to a theoretical signal modelized from a block paradigm alternating rest and action conditions (B) to generate a statistical map (C) overlaid on anatomical sections (D). The activation map shows left primary sensorimotor cortex (arrow) and supplementary motor area (arrowhead) during simple right hand movements (E).
Fig. 2 :
Artéfacts limitant l’analyse des données d’IRMf. D’importants artéfacts de susceptibilité magnétique responsables de vides de signal au sein desquels il est impossible d’étudier les variations du signal BOLD sont naturellement observés dans les régions orbitofrontales (flèche) (A) et temporo-basales, et, en cas d’hémorragie ou après intervention neurochirurgicale (B). Des artéfacts de mouvements sont surtout observés lorsque les mouvements de la tête sont en phase avec le paradigme. Ils sont principalement observés sur les interfaces entre le parenchyme cérébral et le liquide cérébro-spinal (C).
Fig. 2:
Limitations of fMRI data analysis due to artifacts. Macroscopic magnetic susceptibility artifacts are responsible for signal voids in the orbito-frontal (arrow) (A) and temporo-basal regions preventing BOLD signal analysis. Haemorrhage and craniotomy (B) may lead to similar artifacts. Movements artifacts are detected when head movements are in phase with the activation paradigm, and are located on the borders of brain tissue and CSF (C).
ganglions de la base, en particulier des pallidums et des noyaux de dentelés du cervelet, fréquemment observée chez les sujets âgés et dans certaines pathologies, altèrent la qualité du signal de ces régions qui apparaissent en hyposignal T2*. Les mouvements de la tête doivent être impérativement limités par une bonne contention car le signal des voxels situés à l’interface du parenchyme et du liquide cérébro-
spinal peut varier dès qu’il y a des mouvements en phase avec le paradigme et conduire à de fausses activations de topographie caractéristique (fig. 2). D’identification plus récente, le vieillissement, de multiples pathologies générales (HTA, diabète, …) et cérébrales globales (microangiopathie, …) ou focales (accident vasculaire cérébral, tumeur, malformation artério-veineuse, …), des traitements
médicamenteux peuvent modifier le principe physiologique du signal BOLD par des variations globales et régionales de la perfusion basale du parenchyme et de la réactivité cérébro-vasculaire (5, 15, 16). En toute rigueur, il serait nécessaire de normaliser le signal BOLD pour chaque voxel avec les caractéristiques anatomofonctionnelles de la vascularisation cérébrale afin d’éviter des interprétations J Radiol 2006;87
A Krainik et al.
L’imagerie par résonance magnétique cérébrale fonctionnelle en pratique clinique
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Fig. 3 :
Principaux repères anatomo-fonctionnels d’une cartographie préchirurgicale. Le cortex moteur primaire est situé en avant du sillon central (A) reconnaissable directement à sa forme caractéristique d’oméga inversé (flèche) ou de proche en proche par l’identification du croisement du sillon frontal supérieur et du sillon précentral situé en avant du gyrus précentral (21, 22). Des mouvements simples de la main droite activent le cortex sensorimoteur primaire gauche (B). Les principales régions fonctionnelles du langage mises en évidence avec une tâche de détection de rimes sont disposées de part et d’autre des limites postérieure et antérieure du cortex operculaire qui recouvre l’insula représentées par le rameau ascendant postérieur du sillon latéral avec, en bas, l’aire de Wernicke et, au dessus, le gyrus supramarginal (C-D) et le rameau ascendant antérieur du sillon latéral avec l’aire de Broca (E-F).
Fig. 3:
Main anatomo-functional landmarks for presurgical mapping. Primary motor cortex is located anterior to the central sulcus (A) and can be identified by the shape of the hand knob, and is located posterior to the intersection of the superior frontal sulcus and precentral sulcus. Right hand movements elicit left primary sensorimotor cortex activation (B). Main eloquent areas for language elicited by a rhymes detection task are located along the posterior (ramus posterior of the sulcus lateralis) and anterior (ramus ascendens of the sulcus lateralis) limits of the opercular cortex that recovers the insula, with posterioly the Wernicke area, postero-superiorly the gyrus supramarginalis (C-D), and anteriorly the Broca area (E-F).
inappropriées en particulier chez les patients (16-18).
Applications cliniques Il y a dix ans, Denis Le Bihan soulignait déjà l’intérêt potentiel de l’IRMf pour la neurochirurgie (19). En effet, l’exérèse d’une lésion située à proximité de régions fonctionnelles présente un risque de déficit neurologique permanent (20) et l’IRMf s’est rapidement imposée comme une méthode de choix pour cartographier avant l’intervention les zones fonctionnelles à risque. Malgré d’importants développements méthodologiques, les autres applications cliniques de l’IRMf J Radiol 2006;87
demeurent confidentielles et leurs résultats sont souvent difficilement interprétables au niveau individuel. Toutefois, d’autres approches telles que l’étude de la réactivité cérébro-vasculaire sont en cours de développement.
Cartographie préopératoire des régions fonctionnelles Précédée d’une étude anatomique indispensable (fig. 3) (21, 22), l’analyse des données de l’IRMf permet de situer les régions corticales fonctionnelles par rapport à la lésion (23-29).
Motricité En utilisant des tâches simples de flexion/ extension des doigts, des orteils, de
contraction des lèvres, il est possible de repérer le cortex moteur primaire (fig. 4) avec son organisation somatotopique (28). Malgré les nombreuses approximations méthodologiques, la bonne capacité localisatrice de l’IRMf a été confirmée par plusieurs études comparatives utilisant les stimulations corticales peropératoires, la TEP, la magnétoencéphalographie (MEG) (23, 26, 28, 30-33). L’IRMf permet également de repérer la zone à risque de l’aire motrice supplémentaire (AMS), située sur la face médiale du lobe frontal en avant du lobule paracentral, dont l’exérèse s’accompagne d’un déficit transitoire, le syndrome de l’AMS. Contrairement au cortex moteur primaire, le bon pronostic spontané du déficit autorise la résection de l’AMS ce qui a
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L’imagerie par résonance magnétique cérébrale fonctionnelle en pratique clinique
Fig. 4 :
Rapports lésionnels avec les activations sensori-motrices primaires chez deux patients suivis pour des lésions gliales. Lors de mouvements de la main droite, les activations sensori-motrices primaires sont situées en arrière de la lésion frontale (AB) et en avant et en dehors de la lésion pariéto-frontale (C-D).
Fig. 4:
Primary sensorimotor activations in patients with gliomas. During right hand movements, primary sensorimotor activations are located posterioly to the left frontal tumor (A-B), and antero-laterally to the parieto-frontal tumor (C-D).
permis de valider la signification des activations par une approche lésionnelle et de montrer que l’exérèse des activations était le meilleur indicateur de survenue du déficit (fig. 5) (34). De plus, la présentation et la sévérité du déficit sont liées aux caractéristiques topographiques et volumétriques de l’exérèse des activations (35). Le calcul de l’exérèse des activations nécessite la segmentation des activations pré-opératoires et de la cavité d’exérèse post-opératoire. L’intersection de ces objets représente l’exérèse des activations qui peut être exprimée en unité volumique ou plus explicitement en pourcentage d’activation réséquée. Dans le cadre du syndrome de l’AMS, un déficit moteur était observé pour une résection de 33,3 à 100 % de l’activation de l’AMS obtenue lors de mouvements de la main controlatérale à la lésion (34).
Langage Lorsqu’une lésion est située à proximité du gyrus frontal inférieur (aire de Broca), du tiers postérieur du gyrus temporal supérieur (aire de Wernicke), du gyrus supramarginal, du gyrus angulaire, un déficit persistant du langage peut apparaître au décours de l’intervention lorsqu’elle intéresse l’hémisphère dominant pour le langage (20). L’hémisphère gauche est prédominant pour le langage chez 91 % des droitiers et 70 % des gauchers. Cependant, une prédominance droite est possible chez 5 % des droitiers et 15 % des gauchers (36). Pour déterminer la dominance hémisphérique, le test de Wada demeure l’examen de référence. Cette procédure consiste à injecter de façon sélective dans l’artère carotide interne un barbiturique qui anesthésie transitoirement l’hémisphère vascularisé pour supprimer les fonctions latéralisées du langage.
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Le test de Wada demeure un examen invasif, tributaire des variations anatomiques des artères intracrâniennes. De plus, le test de Wada ne permet pas de situer les régions impliquées dans le langage par rapport à une lésion. Pour ces raisons, la TEP puis l’IRMf ont été proposées pour remplacer cet examen invasif. Différentes tâches permettent d’accéder aux différentes fonctions du langage. Par exemple, l’écoute d’une histoire active préférentiellement les régions postérieures « sensitives » de la compréhension. Les tâches de fluence verbale silencieuse, telles que la fluence phonologique qui demande une production de mots avec une composante phonologique commune (partie initiale ou finale des mots) ou la fluence catégorielle qui demande une production de mots dans une catégorie sémantique donnée (noms de lieux, de fruits, …), activent préférentiellement les régions antérieures « exécutrices » (37). Des tâches mixtes, exécutrices et sensitives, telles que la détection de rimes activent les régions antérieures et postérieures (fig. 5) (38). La dominance hémisphérique peut être déterminée en calculant un index de latéralité (ILat) avec ILat = [(G-D)/G+D] (G le nombre de voxels activés dans l’hémisphère gauche et D ceux de l’hémisphère droit), ILat variant de +1 pour une latéralisation gauche exclusive à -1 pour une latéralisation droite exclusive, une absence de latéralisation significative étant définie par un ILat compris entre +0,2 et -0,2. Plusieurs études ont permis de valider cette méthode en comparant les données de l’IRMf à celles du test de Wada ou des stimulations corticales (37-42). La méthode « Flip » plus récente est basée sur la comparaison statistique directe interhémisphérique de l’activité cérébrale grâce au « retournement » gauche-droite des images. Cette méthode possède donc l’avantage d’indiquer si la différence interhémisphérique de l’activité cérébrale est statistiquement significative tout en conservant des informations spatiales (43). Si l’IRMf semble une technique performante pour définir la dominance hémisphérique pour le langage, il existe encore des réserves quant à sa capacité à localiser précisément les régions corticales participant au langage (42). Comme pour la motricité, l’aire motrice supplémentaire (AMS) et la préAMS (située en avant de l’AMS) participent à l’initiation de la parole et leur exérèse conduit à un déficit de production du lanJ Radiol 2006;87
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Fig. 5 :
Réorganisation corticale avant et après exérèse d’un gliome de bas grade de l’aire motrice supplémentaire droite (AMS). Chez un patient qui présente un gliome de bras grade de l’AMS droite (rangée intermédiaire), les mouvements de la main droite ipsilésionnelle (MD) s’accompagnent d’activations du cortex sensori-moteur primaire (têtes de flèche) et de l’AMS (flèches) controlatéraux comme les témoins (rangée supérieure). Avant l’intervention, les mouvements de la main gauche controlésionnelle (MG) montrent une réorganisation corticale avec une diminution de l’activation de l’AMS située à proximité de la lésion (étoile) et une augmentation de l’activation de l’AMS opposée. Cette réorganisation était plus importante lorsque la tumeur envahissait davantage l’AMS et favorisait une récupération précoce et rapide du déficit post-opératoire. Après l’intervention et la récupération du déficit (rangée inférieure), le cortex prémoteur latéral de l’hémisphère sain est recruté (46).
Fig. 5:
Cortical reorganization before and after resection of low-grade glioma of the right supplementary mortor area (SMA). In a patient with a low-grade glioma of the right SMA (middle row), ipsilesional movements (MD) elicit contralateral primary sensorimotor (arrowhead) and SMA (arrow) similar to controls (upper row). Contralesional movements (MG) reveal preoperative cortical reorganization with a decreased activation of the contralateral SMA and an increased activation of the ipsilateral SMA. Such reorganization was correlated with the SMA infiltration and with an earlier and faster recovery of the deficit. After surgery and recovery (lower row), the lateral premotor cortex of the healthy hemisphere was recruited (46).
gage dès lors qu’elle intéresse l’hémisphère dominant pour le langage. A nouveau, l’exérèse des activations de l’AMS et de la préAMS de l’hémisphère dominant obtenue avec une tâche de fluence catégorielle silencieuse est le meilleur indicateur de survenue du déficit (44).
Mémoire La sclérose mésiale de l’hippocampe est une cause d’épilepsie temporale dont la pharmaco-résistance peut conduire à l’exérèse chirurgicale de l’hippocampe. Or l’hippocampe est une structure importante pour l’encodage de la mémoire épisodique à long terme. Son exérèse peut J Radiol 2006;87
être responsable de troubles mnésiques post-opératoires invalidants. Comme pour le langage, le test de Wada permet d’évaluer la dominance hémisphérique pour la mémoire verbale. Cependant, les résultats de cette épreuve sont peu corrélés à la survenue des troubles mnésiques post-opératoires pour plusieurs raisons telles que la prédominance droite du rappel ou de l’encodage de la mémoire nonverbale. En utilisant une tâche de mémoire verbale, l’IRMf permet d’évaluer l’asymétrie entre les activations des hippocampes et de prédire le retentissement de l’exérèse de l’hippocampe gauche sur les performances mnésiques verbales (45).
Autres indications potentielles Pronostic de la récupération d’un déficit Chez les patients qui présentent une lésion lentement évolutive de l’AMS telle que le gliome de bas grade, l’importance des réorganisations corticales préopératoires avec, en particulier, le recrutement de l’AMS de l’hémisphère sain influence favorablement la vitesse de récupération du déficit (fig. 6) (46). Après un accident vasculaire cérébral ischémique du cortex moteur ou du langage, la récupération du déficit est plus favorable chez les patients qui recrutent les régions corticales adja-
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Fig. 6 :
Rapports lésionnels avec les régions fonctionnelles du langage chez un patient droitier suivi pour un gliome pariéto-frontal gauche. La détection de rimes montre une prédominance hémisphérique gauche pour le langage en coupes axiales (A-C) avec des activations postérieures (aire de Wernicke, gyrus supra-marginal) (flèches) situées en regard de la lésion (A-F). L’activation de aire de Broca est située en avant et à distance de la lésion (tête de flèche) (A, D).
Fig. 6:
Eloquent language areas in a right-handed patient with a parieto-frontal glioma. A rhymes detection task shows a left hemispheric predominance for language on axial sections (A-C) with posterior activations (Wernicke area, gyrus supramarginalis) (arrows) located laterally to the tumor (A-F). Broca area (arrowhead) is located anteriorly to the lesion (A, D).
centes à la lésion que chez les patients qui recrutent des régions situées à distance et, en particulier, dans l’autre hémisphère (47, 48). Les données de l’IRMf ont permis d’illustrer au niveau cortical les effets bénéfiques de la fluoxétine (Prozac®) sur la récupération des déficits post-ischémiques (49). Ainsi, l’IRMf permet de mieux informer le patient et d’organiser sa rééducation.
Localisation de foyers épileptogènes Chez les patients épileptiques, la possibilité récente d’enregistrer les pointes intercritiques en EEG au cours d’un examen d’IRMf peut permettre d’identifier le foyer épileptogène en déterminant a posteriori le modèle hémodynamique à partir de l’activité électroencéphalographique (50, 51). La méthodologie demeure délicate et nécessite des mises au point minutieuse. Les résultats de
l’IRMf/EEG actuellement en cours d’évaluation sont prometteurs (52).
Risque de maladie d’Alzheimer En comparant des sujets asymptomatiques présentant un risque de maladie d’Alzheimer (allèle 4 de l’apolipoprotéine E) à des sujets « normaux » (allèle 3 de l’apolipoprotéine E), Bookheimer et al. ont montré, à l’aide de tâches d’encodage et de rappel mnésiques, qu’il existait dans l’hémisphère gauche des sujets à risque une hyperactivation des régions du langage, du cortex dorso-latéral préfrontal, du cortex temporal interne et du lobe pariétal. Deux ans après l’examen, l’altération des performances mnésiques était corrélée à l’intensité des activations initiales (53). Ces résultats encourageants permettraient de sélectionner les sujets pouvant bénéficier d’un traite-
ment médicamenteux précoce. Toutefois, ces données ont été obtenues grâce à une analyse de groupe, ce qui en limite la portée individuelle.
Réactivité cérébro-vasculaire L’IRMf est une imagerie de la réactivité cérébro-vasculaire (RCV). Cette réactivité est utilisée largement pour illustrer de manière indirecte l’activité neuronale qui en est un des stimuli. Quelques études en IRMf se sont intéressées à la RCV qui peut être également stimulée par des agents vasoactifs tels que l’acétazolamide (Diamox®) et le CO2. En pratique clinique, il est possible de déterminer le risque d’accident vasculaire cérébral chez les sujets porteurs d’une sténose cérébro-vasculaire (54). Actuellement, la RCV est surtout mesurée à l’aide du Doppler trans-crânien et de la TEP. Cependant, la résolution spatiale et l’innocuité de l’IRJ Radiol 2006;87
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tes. En permettant de cartographier les zones fonctionnelles à risque, les données de l’IRMf, idéalement intégrées dans le microscope chirurgical, associées aux autres méthodes de cartographie, telles que la tractographie en tenseur de diffusion (58) qui montre les principaux faisceaux de fibres nerveuses et surtout les stimulations électriques cortico-sous-corticales peropératoires, permettent d’améliorer la qualité de l’exérèse lésionnelle et le pronostic fonctionnel post-opératoire (30, 59, 60). Malgré des difficultés méthodologiques, des voies de recherche clinique ont été ouvertes telles que la localisation de foyers épileptogènes, le dépistage précoce de maladies neurodégénératives, l’imagerie de la réactivité cérébro-vasculaire. Les applications de l’IRMf en psychiatrie et en pharmacologie demeurent encore à ce jour du domaine de la recherche. Remerciements : Nous remercions le soutien financier de la Société Française de Radiologie, du GE W.D. Coolidge innovation grant de l’ECR R&E Fund et du PHRC2001-AOR01109.
Références 1.
Fig. 7 :
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Imagerie de la réactivité cérébro-vasculaire aux variations de la capnie. L’hyperventilation s’accompagne d’une hypocapnie suivie d’une vasoconstriction et d’une chute du signal BOLD (couleurs froides) (A,C,D). L’inhalation de CO2 s’accompagne d’une hypercapnie suivie d’une vasodilatation et d’une élévation du signal BOLD de la substance grise (couleurs chaudes) (B). Chez les sujets sains (A,B), les variations de signal intéressent la substance grise (cortex et noyaux gris). Chez ces patients suivis pour une malformation artério-veineuse (étoile) (C) et pour un gliome de bas grade (étoile) (D), la réactivité vasculaire est diminuée dans le cortex frontal latéral et médian adjacent (flèches). Cerebrovascular reactivity imaging related to capnic changes. Hyperventilation induces hypocapnia leading to vasoconstriction and a BOLD signal decrease (cold colors) (A,C,D). CO2 inhalation induces hypercapnia leading to vasodilatation and a BOLD signal increase (hot colors) (B). In controls (A,B), signal changes are detected in the gray matter. In patients with an arteriovenous malformation (star) (C) and a low-grade glioma (D), vascular reactivity is decreased in adjacent lateral and medial frontal cortex (arrows).
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Mf permettent d’obtenir des cartographies fiables de la RCV essentiellement en utilisant l’inhalation de CO2 (hypercapnie vasodilatatrice) ou l’hyperventilation (hypocapnie vasoconstrictrice) (fig. 7) (55-57). En attendant que les applications cliniques de cette nouvelle approche de la fonction hémodynamique cérébrale se développent, les cartographies de RCV pourraient être utilisées pour normaliser le signal BOLD et mieux estimer l’activité neuronale chez les patients (16, 17). J Radiol 2006;87
Conclusion En France, dix ans après son introduction en pratique clinique, l’IRMf reste confidentielle, limitée à quelques rares centres hospitalo-universitaires dotés d’une activité neurochirurgicale et d’un environnement scientifique importants. Pourtant, l’acquisition et le traitement des images nécessitent un investissement informatique modeste puisqu’il est possible d’obtenir des résultats fiables en quelques minu-
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