BOLD, Hypothèses et desseins Expérimentaux Oury Monchi, Ph. D. Centre de Recherche, Institut Universitaire de Gériatrie de Montréal & Université de Montréal
Vaisseaux rouges: Art. Mid Vaisseaux verts: Art. Ant Vaisseaux bleus: Art. Mid Vaisseaux noires: Veines
OPFC Rouge: Art. Noir: Veines
Contraste T 2* • Il y a 2 origines à la relaxation transverse: 1. Les interactions spin-spin (T 2) 2. Les changements de la fréquence de la précession des spins dues aux inhomogénéités du champ • T 2 * prend son origine dans la combinaison de ses 2 facteurs de la relaxation transverse T 2* < T 2
Contraste T 2* 1/T 2* = (1/T 2) + (1/T 2’) Où T 2’ est l’ effet de déphasage causé par l’inhomogénéité du champ Hemoglobine désoxygénée est paramagnétique: Électrons isolés + moment magnetique significatif Augmentation taux Hemoglobine désoxygéné moins le champ est homogène T 2*
Principes de base de la TEP La TEP dépend de l’injection d’un isotope radioactif généré par un cyclotron. Dès leurs injections, ces radio-isotopes se désintègrent et émettent des positrons qui entrent en collision avec des électrons. Ces collisions produisent des rayons γ opposés qui sont captés par les détecteurs de coïncidence de la TEP. Suivant les molécules auxquels s’attachent ces isotopes, on peut avoir de l’information sur le débit sanguin (étude d’activation, p. ex 015) ou avoir sur la relâche de neurotransmetteur (p. ex. 11 C qui se lie au récepteur D 2 du striatum).
Réfléchir avant d’agir • Qu’espérez-vous trouver ? • Qu’apprendrez-vous de nouveau sur les processus cognitifs Impliqués ? • Obtiendrez-vous des informations complémentaires aux autres techniques ? • Peut-on répondre à la question en utilisant des techniques plus simples et moins onéreuses ? • L’IRMf ajoute-t-elle suffisamment d’informations pour justifier cette grande dépense d’argent et d’effort ?
Réfléchir avant d’agir • Quelles seraient les autres possibilités (et/ou l’hypothèse nulle)? • Ou n’y a-t-il pas vraiment d’autres possibilités ? (dans ce cas il n’est peut-être pas intéressant de réaliser l’expérience) • Dans le cas où une autre possibilité ressort, l’étude seraitelle toujours intéressante ? • Si cette autre possibilité n’est pas intéressante, l’espoir d’avoir le résultat attendu au départ est-il suffisant pour justifier la réalisation de l’expérience ? • Quel serait le titre de l’article dans ‘Nature’ si ça marche ?
Réfléchir avant d’agir 3 • Quelles sont les variables confondantes possibles ? • Pouvez-vous les atténuer ? • L’expérience a-t-elle déjà été réalisée ?
A quelle question essaye-t-on de répondre ? ! • Nature/Nombre de composantes cognitives ? • Résolution Temporelle ? • Reconstruction du BOLD ? • Résolution Spatiale ? • Cerveau entier ou Région d’Intérêt (ROI) ? • A éviter : Quelle est la dernière méthode ou la méthode la plus sophistiquée ? Utilisons celle là !
Paramètres disponibles • Présentation des Stimuli en Blocs Vs. Essais Mélangés ? • Acquisition Synchronisée avec les Stimuli Vs. Acquisition Non Synchronisée ? • Temps de Répétition pour l’acquisition des volumes • Longueur des essais • Longueur ISI • Amplitude des essais ?
Paramètres disponibles 2 • Nombre de volumes • Nombre de Runs • Sessions Multiples • Nombre de Tranches • Résolution • Orientation des Tranches
Subtraction Logic Cognitive subtraction originated with reaction time experiments (F. C. Donders, a Dutch physiologist). Mesure le temps d’apparition d’un procédé en comparant deux temps de réaction, le premier ayant les mêmes composants que le deuxième + le procédé d’intérêt. Exemple : T 1: Appuyez sur le bouton quand vous voyez une lumière T 2: Appuyez sur le bouton quand la lumière est verte mais pas rouge T 3: Appuyez sur le bouton gauche quand la lumière est verte et sur le bouton droit quand la lumière est rouge T 2 – T 1 = temps pour faire la distinction entre les couleurs T 3 – T 2 = temps pour prendre une décision Assumption of pure insertion: You can insert a component process into a task without disrupting the other components. Widely criticized (we’ll come back to this when we talk about parametric studies)
Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common 10. It's not how big the region is, it's what you do with it. 9. Both involve heavy PETting. 8. It's important to select regions of interest. 7. Experts agree that timing is critical. 6. Both require correction for motion. 5. Experimentation is everything. Source: students in the Dartmouth Mc. Pew Summer Institute
Top Ten Things Sex and Brain Imaging Have in Common 4. You often can't get access when you need it. 3. You always hope for multiple activations. 2. Both make a lot of noise. Now you should get this joke! 1. Both are better when the assumption of pure insertion is met. Source: students in the Dartmouth Mc. Pew Summer Institute
Subtraction Logic: Brain Imaging Example: Our simple MT localizer T 1: View stationary rings T 2: View moving rings Possible factors added • motion • attentional salience => T 2 – T 1 = “motion” areas Possible factors removed • retinal adaptation You must always consider the possible components you could be adding or affecting. More sophisticated designs (e. g. , parametric designs, conjunction designs) may better address true contribution of components.
Design Bloc • État Stable • Conditions control et activation • Alternance entre des blocs de même type d’essais et des blocs de condition control • Les acquisitions de volume sont synchronisées avec les essais • Bon design pour la question suivante : L’aire X montre-t-elle une augmentation de l’activation quand elle est présentée avec la composante cognitive A par rapport à la condition control ou par rapport à la composante cognitive B
f. MRI Activation: Block Design on stimulus off time image acq time ROI 14 2800 2780 10 6 2 Signal 2760 2740 2720 2700 2680 2660 -2 t-value 2640 2620 2600 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Time (s)
Dessein évènementiel (Espacé) !Réponse à des évènements éphémères · Reconstruit la réponse hémodynamique. · Habituellement désynchronise l’acquisition du volume et la présentation du stimulus dans le but de scanner à différents points de la fonction hémodynamique. => Besoin de créer un fichier de sortie avec les temps de volume, la présentation des stimuli et les temps de réponse. · Pas besoin de présenter les stimuli et les conditions « control » en blocs. Cela peut-être mieux que de les présenter de manière aléatoire.
f. MRI Activation: Event Related on stimulus off time image acq time ROI 14 105 10 104 6 ROI Signal 2 average time course 103 stimulus 102 101 -2 t-value 100 99 0 5 10 15 Time 20 25
Event Related (Spaced) Auditory Study ! Can reconstruct the signal directly from data because ISI large and not regular ! Can still reconstruct it with small ISI’s but more model dependant because of the deconvolution
Event Related Auditory Study
Design évènementiel : Essais mélangés • Essais multiples, présentation aléatoire des évènements. Désynchronise l’acquisition du volume et la présentation des stimuli (=> enregistrer tous les temps) • Diviser les essais en plus d’un évènement cognitif. => Petits évènements mais pas <<2 secs. • Peut contraster entre les évènements ou utiliser une condition « control » . • Bonne utilisation de la résolution temporelle de l’IRMf, mais les designs et les statistiques sont plus complexes !
Wisconsin Card Sorting Task
Bergman et al. , 1995
Wisconsin Card Sorting Task: Study I. 1 Active : Matching according to shape Control : Positive feedback : Matching according to shape : Control feedback : Negative feedback : Matching according to color : Control feedback : Matching Monchi et al. , J. Neurosci. 2001
WCST study f. MRI Methods • Un nouveau design évènementiel en IRMf a été développé pour séparer 4 conditions d’une tâche. • Essais mélangés : 4 Conditions : Couleur, Forme, Nombre, Control répétés 3 fois dans un ordre aléatoire par série. • Essai : 1. Période d’appariement : la longueur dépend du sujet (0. 5 to 2 secs) 2. Période « feedback » (Récompense, Pénalité ou Control) : la longueur est 1. 9 secs
WCST study f. MRI Methods • Condition « Control » : Appariement de cartes identiques • Le temps aléatoire des essais (lié au temps de réaction du sujet) et les essais mélangés (liés à la performance du sujet) nous permettent de reconstruire des évènements multiples
WCST: Young Controls Shift Planning Negative Feedback Vs. Control Feedback Monchi et al. , Journal of Neuroscience, 2001 Monchi et al. , Journal of Neuroscience,
Wisconsin Card Sorting Task – Normal Subjects Shift Execution Matching following Negative Feedback vs Control Matching T-stat 6 3. 5 Z = 26 Z=6 2 ND Cortico-BG loop (posterior PFC and putamen) involved in the execution of a shift Monchi et al. , Journal of Neuroscience, 2001 Monchi et al. , Journal of Neuroscience,
WCST: Young Controls Set Maintaining Positive Feedback – Control Feedback T-stat 5 6 3 3. 5 Compared to Y = 34 Z = 42 Consistent with the monitoring role of DLPFC within Working Memory
Results in Young Controls: Negative Feedback – Positive Feedback VS Negative feedback Positive feedback Isolation of a cognitive cortico-striatal loop including the ventrolateral PFC in the planning of a set-shift Monchi et al. , 2001: Journal of Neuroscience, editor’s choice Science and Nature Reviews Neuroscience
f. MRI Activation: Phase-Encoded Design • Les stimuli changent continuellement (spatialement) avec une période de 2Π • L’acquisition de volume est synchronisée avec la phase • The BOLD signal at each spatial location is Fourier transformed. This allows for instance to map out retinotopically visual areas of the brain
f. MRI Activation: Phase-Encoded Design • phase mapping 890 880 Signal 870 eccentricity 860 850 840 830 820 810 0 50 100 150 200 Time (s) 250 FFT time magnitude phase 300 350
Résumé des différents Designs • Design Bloc : Présentation des stimuli en bloc / synchronisation de l’acquisition du volume • Design Evènementiel Classique : Présentation régulière ou irrégulière des stimuli habituellement Stimulus. Control/désynchronisation de l’acquisition de volume pour la réponse transitoire • Design Evènementiel Essais mélangés : Evènements multiples, présentation aléatoire des stimuli, besoin de beucoup de volumes, désynchronisation de l’acquisition des volumes. • Phase-Encoded Design : Changement constant des stimuli répétés périodiquement, synchronisation de l’acquisition des volumes avec la phase (< période!)
Some Constraints Scan Quickly but not << 1. 5 s Acquire as many frames as possible However subjects get tired session Max. 2 Hours Unless Sleep Expt !
Compromis / Tradeoffs “f. MRI is like trying to assemble a ship in a bottle – every which way you try to move, you encounter a constraint” -- Mel Goodale “That’s on a good day. On a bad day, it’s like trying to assemble a ship in a bottle blindfolded, drunk and with one hand tied behind your back” – Jody Culham
Compromis / Tradeoffs Nombre de tranches vs. temps d’acquisition du volume • plus il y a de tranches, plus le temps d’acquisition du volume est long • e. g. , 15 tranches en 2 sec vs. 20 tranches en 3 sec Nombre de tranches vs. résolution dans le plan • plus la résolution dans le plan est grande, moins il y a de tranches pouvant être acquises dans un temps constant d’acquisition de volume • e. g. , matrice 128 x 128 pour 1 tranche vs. matrice 64 x 64 pour 4 tranches
Voxel size non-isotropic 3 x 6 = 54 mm 3 3 x 3 = 27 mm 3 2. 1 x 6 = 27 mm 3 e. g. , SNR = 100 e. g. , SNR = 71 In general, larger voxels buy you more SNR. EXCEPT when the activated region does not fill the voxel (partial voluming)
More Constraints Haute résolution I. e. 128 x 128 Bon pour distinguer entre de petites aires (e. g. subcortical) mais pauvre SNR. Basse résolution I. e 64 x 64 meilleur SNR.
Tranches • Plus de Tranches Meilleure Résolution Acquisition plus lente • Besoin d’optimiser la résolution, les tranches, le temps d’acquisition (pour une taille d’aimant donnée) • Cerveau entier : Direction des tranches (souvent 45° vers la partie postérieure)
Tranches 2 • ROI : Orientation des tranches dépendant de la localisation et de la forme des aires d’intérêt et de l’artefact EPI • Garde le nombre de tranches et l’orientation constants tout au long de l’étude, qui est de sujet en sujet
Volumes and Séries • Augmentation du nombre de séries: Moins de dérive par série mais plus d’effet aléatoire (e. g. mouvement). Aussi repos entre les séries, et enregistre les données à différent stade. • C’est généralement mieux d’augmenter nombre de séries que d’utiliser des sessions multiples par sujet. Mais attention à l’effet de la fatigue !
More Power to Ya! Pouvoir Statistique • la probabilité de rejeter l’hypothèse nulle quand elle est réellement fausse • “si il y a un effet, quelles sont les chances que vous le trouviez”? Taille de l’effet • plus les effets sont grands, plus le pouvoir statistique est grand • e. g. , MT localizer (moving rings - stationary runs) -- 1 série est généralement suffisant • looking for activation during imagined motion might require many more runs
More Power to Ya! (suite) Taille de l’échantillon • plus n est grand, plus de pouvoir statistique, dans l’ordre: • plus de sujets • plus de séries • séries plus longues Signal : Noise Ratio • meilleur SNR, plus de pouvoir statistique • aimant plus fort, plus homogène • plus de bobines dans l’antenne RF • moins d’artefacts • plus de filtre
ISI et longueur des essais • La longueur des essais peut varier de “instantannée” à ISI • Ne doit pas << 2 sec entre le début de chaque essai pour les desseins évènementiels à essais mélangés. • Faut-il prendre en compte la durée des évènements ou peuvent-ils être tous considérés comme instantanés? Ca peut dépendre du type des stimuli
Dealing with frustration Murphy's law acts with particular vigour in f. MR imaging: Number of pieces of equipment required in an f. MRI experiment: ~50 Probability of any one piece of equipment working in a session: 95% Probability of everything working in a session: 0. 95^50 = 7. 6% Solution for a good imaging session = $4 million magnet + $3 roll of duct tape Sign that used to be at the 1. 5 T at MGH
Remerciements: Cécile Madjar Some slides from Dr. Jody Culham’s design tutorials http: //psychology. uwo. ca/f. MRI 4 Newbies/Tutorials. html
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