cerveau.
publicité
ORGANISATION MULTIÉCHELLE DU CERVEAU 1 INTRODUCTION 2 UN PEU D’HISTOIRE Paul Broca (1824-1880) • Aire du langage 1861 • Couronne thermométrique Korbinian Brodmann (1868-1918) • Cartographie cytoarchitectonique 1904-1909 3 AIRES DE BRODMANN Vue latérale de l’hémisphère gauche Vue médiale de l’hémisphère droit 4 DIFFÉRENTES THÉORIES Théorie localisationniste Cartographie arbitraire (Gall, XIXème) Théorie globaliste / holistique Diffusion des fonctions cérébrales Théorie connectiviste Réseau de modules localisés 5 PARIETO-FRONTAL CODING OF REACHING: AN INTEGRATED FRAMEWORK. 6 Burnod, Y., Baraduc, P., Battaglia-Mayer, A., Guigon, E., Koechlin, E., Ferraina, S., Lacquaniti, F. and Caminiti, R. (1999) Experimental Brain Research, 129(3): 325-346 [doi:10.1007/s002210050902]. ARM REACHING Atteindre un objet à l’aide d’une information visuelle Synthèse : expériences / simulations Modèle de réseau pariéto-frontal 7 Vue latérale du cerveau 8 APPROCHE SIMPLIFIÉE DU PROBLÈME y : vecteur position de la cible, information visuelle z : vecteur de la commande motrice zi = ∑j Wij yj Wij : poids synaptique 9 RÈGLES D’APPRENTISSAGE zi = ∑j Wij yj Règle de Hebb • Wij = < zi yj > Règle de la covariance • Wij = < zi yj > - < zi > < yj > 10 ZONES COMBINATOIRES z = L(x,y) 11 AXE VISUO-SOMATIQUE Gradient d’activité •Répartition des signaux sur la surface corticale 4 types de signaux •Rétine •Regard •Position du bras •Commande motrice 12 ZONES DE RECOUVREMENT 13 INTERCONNEXIONS SYMÉTRIQUES 14 UN RÉSEAU DE RÉSEAUX, 3 AXES FONCTIONNELS 15 AXE SENSORI-MOTEUR Colonnes corticales 16 AXE SENSORI-MOTEUR 17 AXE SENSORI-MOTEUR Unités sensorielles Matching units • Corrélations entre trajectoires, apprentissage Condition units • Recrutement et renforcement de l’activité des neurones impliqués dans la tâche Unités motrices 18 AXE SENSORI-MOTEUR Activités décalées dans le temps •En rapport avec les signaux liés à la tâche effectuée Calcul parallèle •Recrutement simultané 19 AXE POSITION-DIRECTION 20 APPRENTISSAGE - MATCHING UNITS 21 EXEMPLE D’APPRENTISSAGE 22 MATCHING UNITS Renforcement des connexions Neurones miroir 23 CONDITION UNITS Activation du réseau •selon la tâche à effectuer Déclencheurs de leur activité : •stimulus (signal extérieur) •contraintes (e.g. délai imposé) 24 RELATIONS AVEC DES STRUCTURES SUBCORTICALES Ganglions de la base Cervelet 25 GANGLIONS DE LA BASE 26 CERVELET 27 NÉCESSITÉ D’UN MODÈLE GÉOMÉTRIQUE Grande variabilité interindividuelle Difficulté de mise en correspondance 28 MODÈLE DE TALAIRACH (1911-2007) Repère tridimensionnel Déformation linéaire par morceaux Atlas anatomique à partir de l’étude d’un cerveau Normalisation spatiale 29 GEOMETRIC ATLAS: MODELING THE CORTEX AS AN ORGANIZED SURFACE. 30 Toro, R. and Burnod, Y. (2003) NeuroImage, 20(3): 1468-1484 [doi:10.1016/j.neuroimage.2003.07.008]. CORTEX CÉRÉBRAL Couche périphérique du tissu cérébral Organisé en sulci et en gyri : délimitation des aires fonctionnelles. 31 RECHERCHE DE MODÉLISATION Modélisation 3D •Problème d’adressage •Sousestimation des distances anatomiques Modélisation 2D •Structure physiologique des colonnes corticales •« feuille présentant de nombreux replis » 32 HYPOTHÈSES DU MODÈLE Hypothèse 1 • Cortex topologiquement équivalent à une sphère Hypothèse 2 • Induction d’un champ de plissure sur toute la surface par les sillons principaux Hypothèse 3 • Orientation des sulci et gyri secondaires et tertiaires parallèlement et orthogonalement aux sillons principaux 33 ETAPES DU PROCESSUS 1 • Reconstitution d’une surface corticale 2 • Identification des sillons principaux 3 • Etablissement d’un système de coordonnées sur la surface 34 ETAPE 1 : RECONSTITUTION D’UNE SURFACE CORTICALE 35 ETAPE 2 : IDENTIFICATION DES SILLONS PRINCIPAUX Calcul des profondeurs sulcales Lissage itératif de la surface reconstituée Les sillons principaux ainsi identifiés fournissent les axes selon lesquels va s’opérer la plissure du cortex 36 ETAPE 3 : ETABLISSEMENT D’UN SYSTÈME DE COORDONNÉES Etablissement d’une bijection entre la sphère unité et la surface reconstituée Equation de Laplace pour les nouvelles coordonnées (x’,y’,z’) : ∆u’=0 37 ETAPE 3 : ETABLISSEMENT D’UN SYSTÈME DE COORDONNÉES Nouvelles conditions aux limites Coordonnées adaptées à physiologie corticale 38 BILAN DU MODÈLE Respect des caractéristiques physiologiques du cortex Problème dans prise en compte des structures secondaires Autre atlas : PALS (Population-Average, Landmark and Surface-based, 2005) à partir de plusieurs patients 39 APPLICATIONS DE TELS MODÈLES Biologie du développement • Analyse de la formation des plissements Etude clinique • Comparaison anatomique • Etude de certaines maladies 40 HISTOIRE DE L’IRM Principe de RMN • Principe décrit en 1946 • Développement en spectroscopie Premières images • Première imagerie en 1973 • Image de tissus humains en 1975 Applications aux neurosciences • Mesure de l’augmentation du débit sanguin • 1992 : première image du cerveau 41 LONGITUDINAL STUDY OF MOTOR RECOVERY AFTER STROKE: RECRUITMENT AND FOCUSING OF BRAIN ACTIVATION. 42 Feydy, A., Carlier, R., Roby-Brami, A., Bussel, B., Cazalis, F., Pierot, L., Burnod, Y. and Maier, M.A. (2002) Stroke, 33(6): 1610-1617 [doi:10.1161/01.STR.0000017100.68294.52] BUT, MÉTHODE ET MOTIVATION But • Caractériser l’organisation corticale après l’attaque • Relation entre le type de lésion et la récupération motrice Méthode • Etude longitudinale de 14 patients victimes d’attaque par trois sessions d’IRM fonctionnelle Motivation • Manque d’études sur le long terme prenant en compte la diversité des lésions 43 CRITÈRES SUR LES PATIENTS Conditions • Hémiplégie persistante ou paresis sévère due à une attaque ischémique dans l’artère cérébrale médiane • Pas d’attaque antérieure avec des déficits sensorimoteurs • Patients de 30 à 70 ans Critères d’exclusion • Lésions cérébrales multiples • Désordres cérébrovasculaires antérieurs • Désordres neurologiques ou psychiatriques préexistants • Cécité ou surdité 44 FACTEURS ÉTUDIÉS Impact de la lésion sur M1 (cortex moteur primaire) Degré de WD (Dégénérescence Wallérienne ) du faisceau pyramidal Réponses aux TMS (Stimulation Magnétique Transcrânienne) Degré de récupération motrice du bras ou de la main 45 MÉTHODES Tests •Frenchay Arm Test (FAT) •Box and Block Test (BBT) •9 Hole Peg Test (9HP) •Motor Evoked Potentials (MEPs) •Différentes tâches pour IRMf Classification •3 niveaux de récupération (Rgood, Rpoor, Rmod) 46 47 ANALYSE DES IMAGES ANATOMIQUES M1 SMA SMC 48 DIFFÉRENTS TYPES DE LÉSION M1 normal (10 patients) •Gyrus supérieur précentral épargné •Matière blanche sous-jacente affectée M1 endommagé (4 patients) •Matière grise du gyrus supérieur précentral affectée 49 RÉSULTATS WD reliée au degré de récupération fonctionnelle WD présente et en augmentation dans le temps chez tous les patients Pas de relation significative entre le type de lésion et le degré de récupération Relations entre TMS, WD et récupération 50 ACTIVATION EN IRMF APRÈS ATTAQUE Pour la plupart des patients • Activation bilatérale du SMA Côté non affecté • Activité focalisée dans le SMC contralatéral Côté affecté • Recrutement d’aires supplémentaires ( SMA, SMC ipsilatéral, cortex frontal prémoteur) 51 FORMES D’ÉVOLUTION Focalisation initiale Focalisation progressive Recrutement persistant 52 RELATION ENTRE TYPE DE LÉSION ET RÉCUPÉRATION M1 normal • Principalement focalisation M1 endommagé • Prédominance du recrutement persistant Pas de relation claire entre : • Degré de récupération / Forme d’activation • Forme d’activation / Dégénérescence Wallérienne 53 CONCLUSIONS DE L’ÉTUDE Pas de contradiction avec les travaux précédents Relation entre le type de lésion de M1 et la forme d’activation Pas de relation entre le type de plasticité et la récupération fonctionnelle Nouvelle hypothèse fonctionnelle : Recrutement et focalisation = Mécanismes adaptatifs du système nerveux central à la lésion causée par l’attaque 54 CONCLUSION 55 2 projets d’étude de connectivité L’IRM DE DIFFUSION ET LE PROJET CONNECT Consortium of neuroimagers for the noninvasive exploration of the brain connectivity and tractography Projet CONNECT IRM de diffusion • Financé par l’UE (2.4 millions d’euros) • Cartographie des connections du cerveau • Permet de visualiser la diffusion des molécules d’eau • Permet de visualiser les axones 56 CARTES DE COACTIVATION, BRAINMAP Métaanalyse de données • > 800 articles de neuroimagerie • > 3000 images à étudier Production d’un atlas de coactivation • Sur la base de l’atlas de Talairach • Etude statistique des coactivations 57 BIBLIOGRAPHIE Place de l’anatomie dans la cartographie fonctionnelle du cerveau. J.-F. Mangin1, J. Régis2, J.-B. Poline1, D. Rivière1, C. Poupon1,6, F. Poupon1, D. Papadopoulos1, F.Delaye1,3, O. Pizzato1,3, O. Coulon1,6, S. Crozier1,4, P. Belin1, P. Remy1, M. Zilbovicius1, C. Clark1,D.Lebihan1, D. Hasboun5, S. Lehericy5, D. Dormont5, O. de Dreuille3, H. Foehrenbach3, J.-F. Gaillard3, I.Bloch, Y. Samson, V. Frouin1 Annotation basée ontologie des images IRM du cerveau Ammar Functional Coactivation Map of the Human Brain Roberto Toro, Peter T. Brain Size and Folding of the Human Cerebral Cortex Roberto Toro, Mechouche, Xavier Morandi Christine Golbreich, Bernard Gibaud Fox and Toma´s Paus, February 21, 2008 Michel Perron, Bruce Pike, Louis Richer, Suzanne Veillette, Zdenka Pausova and Toma´sˇ Paus February 10, 2008 Transfer of coded information from sensory to motor networks. Salinas E, Abbott L, J Neurosci 15:6461–6474, 1995 Where does the population vector of motor cortical cells point during reaching movements? Baraduc P, Guigon E, Burnod Y, In: Jordan MI, Kearns MJ, Solla SA (eds) Advances in neural information processing systems 11. The MIT Press, Cambridge, MA (in press), 1999 Making arm movements within different parts of space: the premotor and motor cortical representation of a coordinate system for reaching to visual targets. Caminiti R, Johnson PB, Galli C, Ferraina S, Burnod Y, J Neurosci 11:1182–1197, 1991. Combination of hand and gaze signals during reaching: activity in parietal area 7m of the monkey. Ferraina, S., P. B. Johnson, M. R. Garasto, A. Battaglia-Mayer, L. Ercolani, L. Bianchi, F. Lacquaniti, and R. Caminiti. J. Neurophysiol. 77: 1034–1038, 1997 58
