Publié janvier 2002
L'imagerie fonctionnelle permet une évaluation non invasive du fonctionnement cérébral dans sa globalité, lors de la réalisation d'une tâche motrice, du traitement d'une information sensorielle ou d'une tâche cognitive en détectant les modifications locales de débit sanguin cérébral liées à l'activité neuronale.
1 Principes Techniques :
La technique d'IRM fonctionnelle (IRMf) la plus utilisée détecte les variations d'oxygénation et de flux sanguin liées à l'activité neuronale (BOLD contrast : Blood Oxygenation Level Dependent). Cette technique est non invasive et peut être répétée sans injecter de produit de contraste car elle utilise la désoxyhémoglobine comme agent de contraste endogène.
L'activation neuronale s'accompagne d'une augmentation du débit sanguin cérébral d'environ 50%, non compensée par une augmentation équivalente de la consommation en oxygène qui est d'environ 5%. Il en résulte une augmentation de la saturation capillaire et veineuse en oxygène dans le territoire cérébral drainé et donc une diminution de la concentration relative en désoxyhémoglobine (1-4).
La désoxyhémoglobine est une molécule paramagnétique qui diminue le signal local par un effet de susceptibilité magnétique (effet T2*).
La diminution de concentration en désoxyhémoglobine pendant l'activation cérébrale diminue ces effets de susceptibilité magnétique et on observe donc une augmentation localisée et faible (1 à 5 %) du signal dans la zone activée par rapport à l'état de repos.
Les variations de signal observées sont faibles et augmentent avec l'intensité du champ magnétique, ce qui en étude clinique requiert un imageur de 1.5 Tesla.
Le mécanisme de l'effet BOLD repose sur une variation locale de l'effet T2* auxquelles sont sensibles les séquences en Echo-Planar Imaging (EPI) multicoupes avec étude rapide de l'ensemble du volume cérébral (5).
Le protocole d'activation dépend de la fonction cérébrale étudiée mais ce protocole comprend toujours l'alternance de phase de repos (R) et de phase d'activation (A). Ceci définit le paradigme d'activation qui débute toujours par une phase de repos et comporte toujours au moins 2 phases d'activation (afin d'augmenter le rapport signal sur bruit), un paradigme type est donc : R-A-R-A-R.
L'examen commence toujours par l'acquisition d'une séquence dite &laqno; anatomique » en pondération T1. Nous réalisons une acquisition 3D en écho de gradient de 24 coupes jointives de 4 mm ce qui permet l'exploration de l'ensemble du cerveau.
Les images fonctionnelles sont ensuite acquises (dans le même plan que les images anatomiques) lors de la réalisation du paradigme d'activation. Les images fonctionnelles obtenues correspondent au moyennage des phases d'activation d'une part et des phases de repos d'autre part puis à la soustraction Activation Repos. Le post-traitement des images nécessite plusieurs étapes :
- calcul de l'intercorrélation entre le paradigme d'activation et les réponses fonctionnelles en ne retenant que les pixels activés au delà d'un certain seuil,
- conservation uniquement des groupes qui correspondent à plus de 3 à 4 pixels adjacents
Ces résultats fonctionnels sont ensuite superposés aux images anatomiques.
La localisation anatomique se fait dans le repère normé de Talairach (6).
Ces différentes étapes du traitement statistique sont réalisées avec le logiciel SPM 99 (Statistical Parametric mapping).
Les résultats sont ensuite analysés afin de ne retenir que les zones d'activation où le pourcentage d'activation est inférieur ou égal à 5% correspondant à la microcirculation du drainage veineux et d'éliminer celles où le pourcentage d'activation est supérieur à 5% correspondant à des veines de drainage de plus fort calibre et donc de valeur localisatrice plus faible (7-9).
Les avantages de cette méthode d'imagerie fonctionnelle sont multiples :
- bonne résolution temporelle (1 sec)
- excellente résolution spatiale ( 1 pixel = 1 mm2)
- pas de radiation ionisante, pas d'injection de produit de contraste
- acquisition volumique
- superposition directe des images fonctionnelles et anatomiques
- étude individuelle.
2 Applications pédiatriques :
Cette technique simple et non invasive a été appliquée à l'exploration des enfants pour l'étude de fonctions motrices ou cognitives et notamment pour l'étude du langage.
2.1 Cartographie fonctionnelle préopératoire :
- 2.1.1 Localisation du cortex moteur primaire
Il est parfois nécessaire de localiser l'aire motrice primaire (frontale ascendante) par rapport à une lésion corticale fronto-pariétale avant une chirurgie d'exérèse ou d'une biopsie afin de mieux définir la voie d'abord.
L'aire motrice primaire est toujours détectée en IRMf lors de la réalisation d'un mouvement rapide d'opposition pouce-index. L'étude est bilatérale par mouvements successifs de la main droite puis de la main gauche (10, 11).
- 2.1.2 Détermination de la dominance hémisphérique
La détermination de l'organisation corticale des aires du langage, c'est à dire de la dominance hémisphérique pour le langage est indispensable avant une chirurgie d'épilepsie fronto-temporale réfractaire. Hertz-Pannier et coll (12) ont montré la faisabilité et la fiabilité de l'IRM fonctionnelle dans la détermination de l'hémisphère dominant chez l'enfant lors de tâche de langage (génération de mots). L'IRMf était comparée à la méthode de référence qui consiste en l'injection intra-carotidienne de barbiturique (test de Wada), 11 enfants étaient explorés en IRMf dont 6 également par test de Wada. Dans ces 6 cas, l'IRMf était toujours concordante avec l'épreuve de Wada mais constituait une méthode d'exploration moins invasive.
2.2 Evaluation de la plasticité cérébrale :
La maturation cérébrale normale est caractérisée par une phase transitoire de connexions excessives dépassant chez l'enfant la densité cellulaire et synaptique de l'adulte. La maturation neuronale s'accompagne de phénomènes régressifs (mort neuronale, régression axonale et élimination de synapses). Ce remaniement permet d'éliminer les circuits aberrants, d'augmenter la spécificité de chaque réseau (apprentissage) et d'augmenter la plasticité du système (variations individuelles normales et réorganisation en cas de pathologie).
Ces processus se déroulent avec une cinétique variable selon les régions : dans les cortex primaires, le pic puis la diminution de densité synaptique sont plus précoces que dans les aires associatives. Ces processus s'accompagnent du développement de la myélinisation et sont liés aux étapes des apprentissages et du développement des fonctions cognitives (régions visuelle et motrice dans les premiers mois à premières années, puis cortex associatif postérieur lors de l'apprentissage du langage, et régions frontales lors du développement des fonctions exécutives).
Tout événement pathologique pendant cette phase sera susceptible de remanier l'organisation fonctionnelle des réseaux neuronaux (13-18).
La totale innocuité de l'IRM, permettant de répéter les examens au cours du temps, en font une technique particulièrement adaptée à l'étude des modifications temporelles de l'activité cérébrale.
2.2.1 Système moteur :
Peu d'études ont été réalisées chez l'enfant, cependant, les cas rapportés de lésions localisées dans ou à proximité du cortex moteur et survenant précocement dans l'enfance (19) ou en prénatal (20) montrent, en IRM fonctionnelle, l'activation des aires corticales adjacentes à la lésion, controlatérales au mouvement, mais également du cortex sensori-moteur ipsilatéral au mouvement. Nous observons également ce type d'activation dans une série personnelle (données non publiées) de 8 enfants âgés de 9 à 15 ans et demi, présentant une tumeur cérébrale sus-tentorielle ou une malformation vasculaire sus-tentorielle et explorés par IRM fonctionnelle lors de la réalisation d'une tâche motrice (opposition pouce-index). Les résultats ont été comparés à ceux d'un groupe d'enfants témoins (4 enfants âgés de 11 à 14 ans et demi).
Lorsque la lésion s'est développée avant l'âge de 5-6 ans (MAV congénitale ou tumeurs cérébrales de la petite enfance), à proximité de l'aire motrice primaire, on observe une activation bilatérale du cortex moteur primaire. Ces résultats suggèrent un recrutement du cortex moteur ipsilatéral au mouvement.
A l'opposé, lorsque la lésion est apparue plus tard dans l'enfance et/ou à distance de l'aire motrice primaire, on observe une activation du cortex moteur controlatéral au mouvement comme chez les témoins et comme attendu compte tenu de la décussation du faisceau pyramidal.
Hertz-Pannier et coll rapportent une série de 25 enfants et adolescents porteurs de tumeurs de bas grade situées dans la région rolandique, sans déficit moteur notable et qui présentaient en IRM fonctionnelle une réorganisation modérée des régions activées avec un recrutement de l'hémisphère homolatéral au mouvement lorsque la lésion est contiguë ou dans le cortex moteur primaire (faisceau cortico-spinal direct). (21).
- 2.2.2 Plasticité cérébrale et langage
Les lésions hémisphériques gauches (avant 6 ans) sont associées à une plus grande probabilité de préférence manuelle gauche et chez les patients gauchers de dominance droite du langage ou de représentation bilatérale.
Le transfert des fonctions peut se faire de façon unimodale (langage seulement avant environ 5 ans) ou bimodale (manualité et langage dans les lésions plus précoces, c'est à dire avant 2 ans).
Les lésions plus tardives s'accompagnent d'une réorganisation intra-hémisphérique (22, 23).
2.3 IRMf et dyslexie développementale :
La dyslexie est un trouble du langage écrit qui concerne environ 5 % de la population et qui se révèle lors de l'apprentissage de la lecture.
Afin de mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques impliqués dans la dyslexie nous avons étudiés, en IRMf, 6 enfants dyslexiques lors de la réalisation de tâche de langage habituellement perturbées chez les enfants dyslexiques.
Nos résultats préliminaires montrent que les enfants dyslexiques droitiers présentent une activation corticale temporo-pariétale bilatérale, parfois supérieure à droite, alors que les sujets témoins ont une activation temporo-pariétale gauche pour les mêmes tâches de langage (24).
Ces résultats sont concordants avec ceux observés en magnéto-encéphalographie également chez des enfants dyslexiques (25) ainsi qu'avec les données anatomiques : perte de substance grise en temporal gauche (26) et trouble de l'organisation corticale en temporal (27).
2.4 IRMf et cortex visuel et auditif :
La plupart des études en IRM fonctionnelle requiert une participation de l'enfant ce qui rend difficile l'étude de très jeunes enfants. Des études récentes ont pu être réalisées chez le nouveau né ou le nourrisson pour l'évaluation du cortex visuel (28) et du cortex auditif (29, 30). Ces études ont montré que l'on pouvait mettre en évidence des modifications du signal lors de stimulation visuelle (hypoactivation du cortex visuel postérieur quelque soit l'âge) ou de stimulation auditive (hyperactivation temporale et frontale). Il s'agissait dans deux études de stimulation passive réalisées chez des enfants sédatés.
Une étude réalisée chez des nourrissons et des adultes a montré des modes d'activations différents du cortex visuels entre ces deux populations traduisant une organisation fonctionnelle différente (31).
Ces résultats sont préliminaires mais pourraient permettre une approche anatomo-fonctionnelle du développement cérébral.
CONCLUSION
L'IRM permet d'établir, de façon non invasive, une cartographie fonctionnelle cérébrale. Ses applications sont actuellement essentiellement la localisation préopératoire du cortex moteur et des aires du langage. Mais cela apparaît également comme une technique de choix pour la réalisation d'études anatomo-fonctionnelles du développement cérébral normal et de la plasticité, l'enfant étant un sujet en développement chez qui une pathologie survenue précocement (parfois en prénatal) a pu entraîner une réorganisation des réseaux neuronaux.
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