Bases physiologiques et physiques de la MEG et de l EEG

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1 Formation MEG/EEG/IRMf Bases physiologiques et physiques de la MEG et de l EEG Line Garnero Laboratoire de Neurosciences Cognitives & Imagerie Cérébrale CNRS UPR640 Centre de Magnétoencéphalographie Lundi 22 Septembre 2003

2 Electroencéphalographie (EEG) et Magnétoencéphalographie (MEG) Mesurent l activité électrique neuronale Imagerie non invasive Résolution temporelle ~1ms EEG : mesure du Potentiel électrique. Ordre de grandeur : quelques microvolts Capteurs : électrodes Appareillage très répandu 1er EEG : 1929 Hans Berger MEG : mesure du champ magnétique. Ordre de grandeur : tesla Capteurs : SQUID couplés à des bobines Appareillage très coûteux 1er MEG : 1968 Cohen - MIT

3 POTENTIELS NEURONAUX EPSP Na+ _ + Q Potentiel Postsynaptique Dipôle de courant microscopique Q = I x d = 20 fam Durée 10ms Potentiel d action 2 courants opposés : front de polarisation + dépolarisation Durée 1ms Quadrupôle : Décroissance en 1/r 3 + contribution des cellules gliales

4 Courants macroscopiques Dipôle radial (gyrus) I Dipôle de courant Macrocolonne corticale 10 5 à 10 6 neurones Q =I x d ~10 à 100 nam Dipôle tangentiel (sillon) Dipôles sur la surface corticale

5 COURANTS MACROSCOPIQUES Sommation des activités simultanées d un grand nombre de neurones Noyaux Boucles fermées Pas de courant macroscopique Cortex Cellules pyramidales Boucles ouvertes courant macroscopique

6 Polarité du dipôle Dipôle sortant Dipôle entrant Dipôle sortant Dipôle nul Difficile de relier inhibition et excitation au signe du dipôle

7 Courants secondaires ou de conduction

8 CHAMP ELECTRIQUE CHAMP MAGNETIQUE

9 SENSIBILITE AUX DIFFERENTES SOURCES DE COURANT MEG : essentiellement courants primaires EEG : courants de conduction sur le scalp

10 INSTRUMENTATION EEG 1er EEG : Hans Berger sur patient trépané Système Système 64 à 128 électrodes casque d électrodes Référence unique : montage unipolaire DDP entre couples d électrodes : montage bipolaire

11 INSTRUMENTATION MEG Ordre de grandeur des champs magnétiques cérébraux

12 INSTRUMENTATION MEG 1er MEG : Cohen -MIT avec de nombreux bobinages 1972 : apparition des squids Capteur magnétique Supraconducteur 4 K (refroidi à l hélium liquide) 1980 : Systèmes 7 à 37 capteurs couverture partielle de la tête 1990 : Système casque intégral, ~150 capteurs Enregistrement MEG + EEG simultané

13 INSTRUMENTATION MEG Principe de la mesure en MEG Détection : bobines réceptrices de flux + transformateurs de flux : squids SQUIDS : dispositif supra Basse T (refroidi à l hélium liquide)

14 ELECTRONIQUE SQUID Sortie Electronique SQUID Bobine B Helium liquide

15 DISPOSITIF SQUID Alliages de Pb et Nb Superconducting Quantum Interference Device

16 INSTRUMENTATION MEG - Les bobines magnétomètre r B.n v gradiomètre du 1er ordre r B.n r z gradiomètre planaire r B.n r x gradiomètre du 2nd ordre 2 x r r B.n 2 gradiomètre du 3ème ordre 3 r r B.n x 3

17 INSTRUMENTATION MEG Casque Gradiomètres + squids

18 INSTRUMENTATION MEG - Correction Gradient d ordre supérieur avec capteurs de référence Chambre blindée : parois de mu-métal

19 INSTRUMENTATION MEG - Le Système

20 RECALAGE MEG/IRM : Position de la tête Système de mesure de la position de la tête par rapport au casque 3 bobines : Nasion oreille gauche oreille droite Mesure de B créé par les courants injectés dans les bobines puis localisation

21 RECALAGE MEG/IRM : Position de la tête Pose de marqueurs visibles à l IRM à l emplacement des bobines Nasion Oreille gauche Changement de repère basé sur ces 3 points

22 RECALAGE EEG/IRM : Numérisation Numérisation avec un capteur magnétique 3D - de la position des électrodes - du contour de la peau (nuage de points)

23 RECALAGE EEG/IRM Recalage par minimisation de la distance entre les points numérisés à la surface de la peau extraite de l IRM AVANT APRES

24 LES REPONSES DE LA MEG ET DE L EEG Données spatiotemporelles MEG EEG

25 REPONSE SIMULTANEE MEG ET EEG MEG EEG Réponse auditive 100 millisecondes après l arrivée du son

26 LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES MEG EEG Potentiel < 0 Champ< 0 Champ>0 Potentiel > 0

27 LES DIFFERENCES DE PROPAGATION MEG EEG Cortex Face externe de l os

28 REPONSES AUX DIFFERENTES ORIENTATIONS DES SOURCES MEG EEG Tangentielle Sillons Radiale Gyrus

29 REPONSES AUX DIFFERENTES ORIENTATIONS DES SOURCES MEG EEG Tangentielle Sillons Radiale Gyrus 1/10 2

30 REPONSES AUX DIFFERENTES PROFONDEURS DES SOURCES MEG EEG Superficielle Cortex externe 1 1 Profonde Cortex interne 1/100 1/3

31 DIFFERENCES ENTRE MEG ET EEG : RECAPITULATIF MEG EEG Mesure le champ magnétique Réponse dipolaire perpendiculaire à la direction du dipôle Réponse focale Peu affecté par tissus cérébraux Sélectif pour sources tangentielles Peu sensible aux sources profondes Appareillage coûteux Mesure le potentiel électrique Réponse dipolaire parallèle à la direction du dipôle Réponse diffuse Très affecté par les tissus sensible à toutes orientations sensible aux sources profondes Appareillage moins cher

32 Activité spontanée Les artefacts (oculaires, cardiaques..) Les différents rythmes (boucles thalamo-corticales) - alpha : 8-13 Hz (occipital) - mu : 7-11 Hz (mouvement) - beta : Hz (moteur) -gamma : Hz - delta : Hz (sommeil) Les signaux épileptiques - pointes intercritiques - EEG ictal (crise)

33 Potentiels évoqués Moyennage synchronisé à 1 stimulus (Dawson 1937) Les différentes réponses (latence et amplitude) Nomenclature : - Nxxx : onde EEG négative pointant à xxx ms - Pxxx : onde EEG positive - Mxxx : onde MEG..pointant à xxx ms P100 N145

34 Influence du nombre d essais 1 essai 10 essais 50 essais

35 Influence du nombre d essais 100 essais 400 essais 1600 essais

36 Imagerie MEG (EEG) : localisation Reconstruire dans le temps et l espace les sources neuronales à l origine des signaux MEG (EEG) mesurés en surface? Où? Quand? Problème direct géométrie complexe du milieu de conduction Problème Inverse peu de données solution non unique instabilité au bruit