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CHU Grenoble / UJF – Franceakrainik@chu-grenoble.fr

IRM fonctionnelle cérébrale BOLDVers l’âge de raison

Alexandre Krainik

Clinique Universitaire de Neuroradiologie et IRM, CHU Grenoble, Grenoble – France

Inserm U836 – Grenoble Institut des Neurosciences, Grenoble – France

CHU Grenoble – SFR 1

CHU Grenoble / UJF – Franceakrainik@chu-grenoble.fr CHU Grenoble / UJF – France

ACTION

Cantin, EMC 2011

• Susceptibilité magnétique χ

– Proportion de « tissu magnétisé » sous B0 : ΔB = χ B0

– Gradient de champ entre tissus

• [dHb] modifie la SM du sang = contraste endogène– Composante intra-vasculaire

– Composante extra-vasculaire

Bases physiologiques du signal BOLD

Ogawa, MRM 1990

dHb HbO2

• Activité neuronale variation [dHb]

• Réponse métabolique

• Glycolyse

• (CMRGlc): +20-40%

• CMRO2

• Délai : <1 sec

• [dHbart ] = 0% [Hbtot]

• CMRO2 = +40% [dHbven] = 40% [Hbtot]

• Réponse hémodynamique

• Délai : >1 sec

• ↑ débit sanguin cérébral (DSC) : +20-70%

• ↑ volume sanguin cérébral (VSC) : +5-30%

Iadecola, Nat Rev Neurosci 2004

Couplage neurovasculaire

Neural activity

BOLD signal

[dHb]vox

Cerebralblood flow

arteriolar

Neurovascular coupling

Cerebral bloodvolume

venular

Post-stimulusundershoot

Time [s]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Post-stimulus undershoot

Plateau

Initial dip

a/c/v: 21/33/46% Harrison, 2002

CBVCMRO2

CBFBOLD

• BOLD : relation linéaire avec B0 … 1-5%

– ≥ 1.5T

• Res. Contraste : sensibilité [dHb]

– T2*-EG > T2-SE

• TE : 30-50 msec

• + : temps d’acquisition, faible diffusion

• - : perte de signal à la base du crâne

• Res. Temporelle : secondes…

– EPI, spiral,…

• [TR : 2000-5000 msec] x n

• + : temps d’acquisition

• - : distorsion spatiale

• Res. Spatiale : < 1cm ?

– Vox : 2-4 mm de coté

– Matrice : 64²-1282

Cantin, EMC 2011

Repos Action

Acquisition : cahier des charges

Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011

Image Processing in Clinical Practice

No cognitive

baseline

No MR signal

absolute

quantification

Cognitive

substractionLow SNR

Repeated

measures

designed

paradigm

Statistical

analysis

Krainik, Neurology 2001

• PET Ramsey, JCBF 1996

• MEG Stippich, Neuroreport 1998

• Stimulations electriques per-opératoires Lehericy, J Neurosurg 2000

• Wada test Hertz-Panier, Neurology 1997

• Lesions de l’AMS Krainik, Neurology 2001; Krainik, Neurology 2003; Krainik, Neurology 2004

• Intervale de 1 cm autour du COM Bartos, Acta Neurochir 2009

• Reproductibilité intra-sujets et inter-centres Zou, Neuroimage 2005

Résultats validés et reproductibles

Preoperative Mapping: Neurooncology

Krainik, in Surgery of Low Grade Gliomas, Springer-Verlag in press

• Neurooncology

• Epilepsy

• Stroke

• Coma,…

• Preoperative mapping

to avoid persistent

neurological deficit

• Better understand

clinical impairment to

improve rehabilitation

Main Clinical Applications

Preoperative Mapping: Neurooncology

L Toes L Fingers Lips Speech

RH(n=72)

LH(n=26)

Ambid.(n=2)

In line with WADA Risse Brain Cogn 1997, Woermann Neurology 2003

N=100 Left Pred. Right Pred. Bilat.

Right Handed

80% 10% 10%

Left Handed (26%) 73% 15% 12%

Ambidextre (2%) 50% - 50%

Pharmaco resistant Epilepsy: 100 pts in Grenoble

Preoperative Mapping: Epilepsy

fMRI changed surgical management in 21% patients

Surgery

fMRI Awake surgery (9 pts) fMRI No surgery (12 pts)

Preoperative Mapping: Epilepsy

Les résolutions

temporelles et

spatiales de l’IRMf

n’ont rien à voir avec

celles de l’activité

neuronale

L’IRMf ne cartographie

pas l’activité neuronale

directement

• Validation de la procédure

• Qualité et position des images

• Surveillance des performances

• Réduire les mouvements de la tête

• Evaluer les modifications de la perfusion

L’IRMf cartographie

les variations

fonctionnelles

d’oxygénation et de

perfusion cérébrale

Points-clés de l’interprétation de l’IRMf BOLD

• Paradigmes et analyses validés

• Artéfacts de susceptibilité magnétique

• Exécution de la tâche

• Mouvements

• Fonction de perfusion

Critères de qualité d’une IRMf

Krainik, Brain Mapping , Springer-Verlag 2011

• Orbito-frontal, temporo-basal

• Ca++, hemorraghe, bone, drill, …

• Cavernoma, necrotico-hemorragic tumor, post-op,…

Kim, AJNR 2005

SM Artifacts

Precentral cavernoma: signal loss

SM Artifacts

Post-surgical seizures:Lips movements

T2 SE : - sensitive to MS and BOLD !

Parasites, spikes,…

Translation

BOLDDyn 100

Dyn 132

1. Paradigmes et analyses validés

2. Artéfacts de susceptibilité magnétique

– Visualisation des T2* natives

– Superposition des activations sur les natives

3. Exécution de la tâche

4. Mouvements

5. Fonction de perfusion

– Explication des tâches avant l’examen

– Re-explication des tâches pendant l’examen

– Renforcement positif

– Etude comportementale

– IRMf temps-réel

4. Mouvements

• Mouvements

Mouvements périodiques

4. Mouvements

– Explication

– Contention

– Confort

– Prévenir avant chaque dialogue

– Post-traitement

• Mouvements

T2* (BOLD)

Neural

activity

venular

pressure

a/c/v: 21/33/46% Harrison, 2002

arteriolar

perfusion

pressure

arterial

pressure

Intracranial

pressure

Krainik, Stroke 2005

Vasoréactivité cérébrale

Lèvres

Hypercapnie

Postop

Hypercapnie

Postop

Lèvres

Jiang, Neuroimage 2010

modéliséActivation

Déactivation

F. Grouiller, O David – GIN

Perspectives : IRMf-EEG

p<0.01 (FDR)

Grouiller, HBM 2009

Epilepsie absence

Perspectives : IRMf-EEG optimisation de la HRF

Murphy, Neuroimage 2013

Resting state: BOLD MRI

4. Mouvements

1. Perfusion basale

2. Vasoréactivité cérébrale

• D’un problème vers une solution (serendipity)

• IRMf évaluer la réponse de perfusion à un stimulus vasomoteur

• Cartographier le couplage neurovasculaire

• Cartographier la vasoréactivité cérébrale en clinique

– Pathologie sténo-occlusive

– Neuro-oncologie

– Epilepsie

– Pathologie neurodégénérative,….

Perspectives : vers l’IRMf de perfusion

Femme 42 ans

AVC jonction ACA-ACM

SIAS ACIg Méningiome s. caverneux

MTT CBF

CVRCBV

(↑MTT)

CBF ≈ cste

↑ CBV

Réserve ?

• 19 IAS: 3,6 years follow-up

• 8/19 (42%) LI CVRMCA > 0.08 6/8 recurrent ipsilateral ischemic within Y1

• 11/19 LI CVRMCA < 0.08 1/11

Etude des modifications physio-pathologiques : AVC

Attyé Hum Brain Map 2013

Perfusion basale Vasoréactivité

Doppler Trans-crânienApnée

Silvestrini, Stroke 2006

Xenon CTAcetazolamide

Oishi, J Clin Neurosci 1999

Johnson, Radiology 2005

Du, Neurology 2006

Etude des modifications physio-pathologiques : Alzheimer

Vasoréactivité BOLD PVC+

Cantin, Neuroimage 2011

IRMf de perfusion M. Alzheimer

Cingulum Frontal Insula Occipital Parietal Striatum Temporal Thalamus

MMSE 0.65 (<0.001)* 0.53 (<0.01) 0.58 (<0.01) 0.64 (<0.001) 0.60 (0.001) 0.63 (<0.001) 0.65 (<0.001) 0.59 (0.001)

Hippocampal atrophy -0.41 (0.04) -0.26 (0.19) -0.29 (0.14) -0.44 (0.02) -0.40 (0.04) -0.41 (0.03) -0.44 (0.02) -0.30 (0.13)

Coefficient de corrélation

Vasoréactivité BOLD (CVP-)

IRMf de perfusion M. Alzheimer

Cantin, Neuroimage 2011

• Consider BOLD fMRI as it is, a functional imaging technique

– Map functional change in perfusion and oxygenation to particular stimuli

– Pros and cons of functional stimulus: relevance, perception, performance

– Pros and cons of this imaging technique: resolutions, artifacts

• To be useful in medicine, remain a radiologist

– Knowledge in medicine

– Knowledge in anatomy

– Knowledge in pathophysiology

– Knowledge in imaging

– Knowledge in postprocessing

– Master examination workflow

• Don’t stay alone and ask for help and advices

Take Home Messages - 1

• Be always aware of fMRI biophysical and technical limitations

• fMRI may be helpful for preoperative mapping to avoid permanent

neurological deficit

• In refractory epilepsy, fMRI may change surgical management in

20% patients

• fMRI may be helpful to better understand clinical impairment and

improve rehabililitation

• EEG-fMRI remains WIP

• fMRI of perfusion is helpful in clinical practice for diagnosis and fMRI

• To be useful in medicine, remain a radiologist with medical and technical skills

Take Home Messages - 2

• Neuroradiology – IRMaGe– Sylvie Grand, Arnaud Attye, Florence

Tahon, Kamel Boubagra, Adrian Kastler, Olivier Heck

– Irène Troprès, Laurent Lamalle, Emilie Cousin, Eric Condamine, Assia Jaillard

– Johann Pietras, Technicians

• Neurosurgery– Dominique Hoffmann, Eric Seigneuret,

Olivier Palombi, Stephan Chabardes, Emmanuel Gay

• Neurology– Olivier Moreaud, Laurent Vercueil,

Lorella Minotti, Philippe Kahane, Olivier Detante, Olivier Casez,…

• Grenoble Institute of Neuroscience– Jan Warnking, Emmanuel Barbier,

François Estève

• Clinatec …– Alim-Louis Benabid

Colleagues

Thank you for your attention

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