2. L'apport de l'IRM Fonctionnelle

           Nous avons auparavant étudié  les limites de l’IRM. Analysons maintenant les perspectives ! Sachant que l’IRM est l’examen complémentaire de prédilection pour le système neurologique, nous avons tout d’abord décidé de décrire une évolution intéressante : l’étude du fonctionnement du cerveau humain. En effet, l’Imagerie par Résonance Magnétique Fonctionnelle (IRMf) est utilisée pour localiser in vivo les différentes régions fonctionnelles chez l’Homme. Autrement dit, elle permet de « cartographier  » les activités fonctionnelles du cerveau. Cette technique ne représente pas de danger pour la santé des patients, malgré l’emploi fréquent de 3 à 7 Tesla. Elle est notamment très utilisée en neurosciences, pour étudier en détail l’activité neuronale lors d’événements sensorimoteurs, perceptifs, cognitifs et émotifs.

Détection par l'IMRf de l'activation des régions du cerveau impliquées dans la perception visuelle 

             En recherche, l’IRMF est utilisée pour les études neuropsychologiques et cognitives. En pratique clinique, le plus souvent, cet examen est demandé dans le cadre d’un bilan pré-chirurgical pour savoir où se trouvent les aires du langage et de la motricité par rapport à la lésion. Cet examen aide le chirurgien à évaluer les risques et à préparer son intervention.

              La localisation des zones cérébrales activées est fondée principalement sur l’effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant), lié à l’aimantation de l’hémoglobine contenue dans les globules rouges du sang. L’hémoglobine se trouve sous deux formes :

         -    Les globules rouges oxygénés par les poumons contiennent de l’oxyhémoglobine, une molécule non active en RMN.

         -     Les globules rouges désoxygénés par les tissus qui contiennent de la désoxyhémoglobine, une molécule paramagnétique (propriété des substances qui s’aimantent lorsqu’elles sont placées dans un champ magnétique extérieur, ces corps sont attirés par les aimants), donc visible en RMN.

            Le principe consiste à mesurer l’oxygénation (rapport oxyhémoglobine/désoxyhémoglobine), qui augmente dans les aires activées à la suite d’un apport élevé en sang.

            Lors d’une activité neuronale, une petite augmentation de la consommation d’oxygène est provoquée par les neurones. C’est pourquoi, on observe une augmentation encore plus importante du débit sanguin local. L’augmentation du débit étant plus importante que l’augmentation de la consommation d’oxygène, l’activation neuronale se traduit par une augmentation relative en oxyhémoglobine, par rapport à la désoxyhémoglobine. Les propriétés paramagnétiques entraînent une légère augmentation du signal IRM pendant les périodes d’activation. De façon plus précise ce sont les différences de susceptibilité magnétique entre les différents milieux (intra et extravasculaires) qui entourent le noyau d'hydrogène (proton) qui jouent un rôle important. En effet des différences de susceptibilité magnétique entre les différents milieux vont induire des variations locales de champ magnétique qui vont perturber le signal des noyaux d'hydrogène. Ainsi in vivo le milieu extravasculaire possède une faible susceptibilité magnétique, tout comme le sang oxygéné. C'est en revanche l'inverse pour le sang non-oxygéné qui possède une forte susceptibilité magnétique. Ainsi, à la frontière entre les vaisseaux possédant du sang peu oxygéné (veinules) et le milieu extravasculaire il va y avoir une perturbation du champ magnétique. Lors de l'effet BOLD, l'activation neuronale va augmenter la concentration en sang oxygéné dans les capillaires adjacents ce qui va donc augmenter le signal. Ce sont ces augmentations de signal qui sont donc mesurées en IRMf. Malheureusement, cette variation est très faible, et nécessite des méthodes statistiques puissantes pour être mise en évidence. La perturbation du signal de RMN émis par cette molécule permet donc d’observer l’afflux de sang oxygéné.

            Une autre méthode, beaucoup moins répandue, est le marquage de spins. Cette alternative à l’IRM fonctionnelle par contraste BOLD est efficace (plus sensible et moins variable) pour des tâches répétées à basse fréquence. Le volume exploré est par contre de plus petite taille en marquage de spins.

            L’IRMf consiste à alterner des périodes d'activité (par exemple bouger les doigts de la main droite) avec des périodes de repos, tout en acquérant des images de l'intégralité du cerveau toutes les 1,5 à 6 secondes (correspond à la résolution temporelle moyenne classiquement utilisée en recherche). Avant l’examen, le patient est informé des tâches qu’il va devoir effectuer selon des consignes précises. Par exemple, nous pouvons prendre comme activité de référence le repos, et comme activité motrice un mouvement répété des doigts, tel que un mouvement de la main droite pendant 20 secondes toutes les 50 secondes. Pour les activités cognitives (langage, interprétation, mémoire…), les protocoles sont plus complexes et la conception de tâches pertinentes est plus délicate. Le patient peut être amené à  trouver des mots commençant par la lettre désignée par la consigne ; pour cela un signal lui est donné pendant l'acquisition des images soit par un écran soit par un casque audio. On peut également enregistrer simultanément au cours de l’examen des informations sur les réponses du patient (fréquence des mouvements, délai de réponse à une stimulation, réponse correcte ou erronée…) qui seront intégrées au modèle d’analyse statistique.

              Les limites et inconvénients de l’IRM fonctionnelle en contraste BOLD sont liés à :

         -   La distance de la zone anatomique des neurones activés et la zone de variation du rapport oxyHb/deoxyHb : l'IRM fonctionnelle n'étudie que les conséquences hémodynamiques de l'activation fonctionnelle neuronale, or ces deux phénomènes ne sont pas exactement localisés au même endroit, ce qui peut entraîner une erreur d'identification de la zone fonctionnelle activée

         -   Aux artéfacts  (un effet interférant) de mouvements entraînant une modification de l’image ne correspondant pas à une réalité (mouvements de la tête, battements vasculaires, respiration…).

     

             Ce domaine continue à se perfectionner, et attire de plus en plus de scientifiques, nous avons recherché quelques exemples concrets. Peut-être certains d’entre vous connaissent un film de 1988 : Rain Man. Le personnage principal est un autiste, et est inspiré du savant autiste Kim Peek. En 2004, des scientifiques de la NASA ont fait subir une batterie de tests à Peek, dont des RMN. Ils souhaitaient comparer l'évolution de son cerveau depuis les derniers tests faits en 1988. Récemment, dans certaines prisons américaines, des chercheurs, avec l’autorisation des détenus, utilisent l’IRMf pour observer les réactions des criminels face à des images violentes ou autres. De même, étudier les comportements déviants de certains jeunes enfants pour savoir si cela aurait une origine biologique ? Ces études veulent déceler les bases neuronales de la pensée et des valeurs humaines, domaines qui étaient autrefois traités par la philosophie, la sociologie ou la psychologie. Pour finir, dans une visée plus concrète, l’IRMf aide à la compréhension des maladies neurologiques. En effet, l'IRM est l'examen d'imagerie de choix pour le diagnostic étiologique des démences. Dans la maladie d'Alzheimer, elle peut montrer une atrophie corticale (particulièrement hippocampique).

 Comparaison des examens d'IRMf d'un sujet normal (à droite) et d'un sujet atteint de la maladie d'Alzheimer (à gauche)

             Ainsi, l’IRMf est donc une méthode d’imagerie indirecte de l’activité cérébrale à haute résolution temporelle. Elle est intéressante car non invasive (pas d’injection de produit radioactif). Elle offre aussi une excellente résolution spatiale. De plus, cette méthode n’utilise pas de rayons X, a long terme nocives. Enfin, elle remplace la tomographie par émission de positons (TEP) qui était considéré jusqu’à il y a peu comme la technique de référence pour l’imagerie cérébrale en neurosciences cognitives.

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