Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES

1. Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d ’Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM) UMR CNRS 6612 - Aix Marseille Université Faculté de Médecine et Hôpital de la Timone , Marseille

2.  Anatomie  T1w et T2w IRM IRM "Tissulaire" Diffusion Transfert d ’aimantation Exploration du cerveau par Résonance Magnétique  Fonction  IRMf Angiographie RM Hémodynamique Perfusion Bolus tracking Spin labelling Métabolisme Spectrométrie In vivo

3. LAC / NAA fMRI Angio-MR Diffusion MRI Metabolic Imaging Perfusion MRI MRI-Flash T2* MRS

4. Spectrométrie de Résonance Magnétique (SRM) Cérébrale NAA tCr tCho CEMEREM-CRMBM-Marseille

5. IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE

6. IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE Félix Bloch Edward Purcell Prix Nobel de Physique 1952

7. L ’IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE Paul Lauterbur Peter Mansfield Prix Nobel de Médecine ou Physiologie 2003

8. LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE Richard Ernst Kurt Wuthrich Prix Nobel de Chimie 1991 Prix Nobel de Chimie 2002

9. SRM CEREBRALE • IRM et SRM utilisent le même appareil. • Pour le patient, les conditions sont identiques à celles d ’une IRM cérébrale. Siemens Vision Plus 1,5 T

10. PRINCIPE DE LA SRM

11. IMAGERIE et SPECTROMETRIE

12. IMAGERIE et SPECTROMETRIE • IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules IMAGE (caractérisation anatomique)

13. IMAGERIE et SPECTROMETRIE • IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules • SRM : recueil du signal des autres molécules présentes dans les cellules (métabolites) IMAGE (caractérisation anatomique) SPECTRE (caractérisation métabolique)

14. In vivo MRS, MRI  TF   100 M   IRM NMR signal

15. In vivo MRS, MRI water  TF   metabolites 100 M   MRI NMR signal

16. In vivo MRS, MRI water  TF   metabolites 100 M   MRI NMR signal  1-10 mM  TF   MRS  NMR signal

17. TF Impulsion RF IRM B0 et Gradients H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

18. TF Impulsion RF I I SRM B0 H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

19. H2O H H eau CH3 CH2 H H H OH H éthanol ppm Déplacement chimique

20. H H Deux règles de base Le déplacement chimique (fréquence de résonance) des protons d ’une molécule donnée est constant . Il caractérise la molécule. L ’intensité du signal varie en fonction de la concentration. I I

21. NAA Cr/PCr CHO Concentration SRM SPECTRE Information métabolique TE = 135 ms IRM IMAGE Information anatomique

22. Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo Long NAA tCr tCho CEMEREM-CRMBM-Marseille

23. Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo court NAA tCr tCho Ins Glx Lipides CEMEREM-CRMBM, UMR CNRS 6612, Marseille

24. Proton MRS spectrum of the human brain 1.5 T vs 3T PRESS 35 ms

25. Métabolites cérébraux observés par SRM • N-Acétyl Aspartate • GABA • Glutamate/ Glutamine • Glucose • myo-Inositol • scyllo-Inositol • Taurine • Composés de la Choline • Créatine/ PhosphoCréatine • Lactate • Succinate, Leucine, Alanine, Acétate • Lipides

30. Spectre calculé Spectre réel

31. TE = 135 ms CHO NAA Cr/PCr Lac NAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale CHO (Choline) : marqueur des membranes (lésions, renouvellement), de la myéline ou d ’une inflammation (bétaïne) Cr/PCr (Créatine-Phosphocréatine) : marqueur de densité cellulaire Lac(Lactate) : témoin d ’un processus ischémique, d ’un dysfonctionnement mitochondrial ou d ’une infiltration macrophagique

32. NAA Cho Cr mI Cr Glx Lip mI: myoinositol: marqueur glial (gliose, prolifération gliale) Glx: glutamine-glutamate, (« neurotransmetteurs » ) métabolisme NH3, excitotoxicité. Lip: lipides, nécrose ou contamination (scalp) intégrité membranaire,dyslipidémies ... TE = 35 ms

33. ORGANISATION DU TISSU CÉRÉBRAL • Neurones • Cellules Gliales • Astrocyte • Oligodendrocyte • Myéline • Microglie et macrophages METABOLISME NEURO-GLIAL

34. Neuron Plasmic Membrane N-Acétyl Aspartate NAA Concentration élevée Rôle dans la synthèse protéique Rôle dans la synthèse lipidique? Stockage de l’Aspartate? Métabolite du NAAG ? Osmorégulation ? Glial Plasmic Membrane

35. GLUTAMATE et GLUTAMINE CYCLE GLUTAMATE-GLUTAMINE ASTROCYTE NEURON GABA GABA GABA transaminase Glutamic acid decarboxylase (GAD) glutamate glutamate Glutamine synthetase NH3 glutaminase glutamine glutamine

36. AA EXCITATEUR Exploration du métabolisme cérébral par SRM 1H in vivo AA EXCITATEUR EXCITOTOXICITE CELLULARITE BIOENERGÉTIQUE MARQUEUR GLIAL glutamate (neurones) METABOLISME NH 3 glutamine ( glie ) CYCLE GLUTAMINE -GLUTAMATE METABOLISME MEMBRANAIRE MYELINISATION / DEMYELINISATION créatine INFLAMMATION phosphocréatine MARQUEUR NEURONAL PROCESSUS TUMORAL N - acétyl aspartate choline et dérivés taurine OSMOLYTES scyllo - inositol MALADIES METABOLIQUES -protéines myo - Inositol OSMOLYTE -acides aminés METABOLISME MEMBRANAIRE glycine MARQUEUR GLIAL -lipides mobiles MYELINISATION / DEMYELINISATION -si acide lactique INFLAMMATION ANOXIE 0.00 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 ppm

37. Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale • Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral

38. Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale • Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral • Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM

39. Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale • Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral • Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM • Dosage de molécules issues du métabolisme de divers • types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….)

40. Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale • Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral • Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM • Dosage de molécules issues du métabolisme de divers • types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….) • - Analyse objective et quantifiée de la souffrance cérébrale

41. LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MONOVOXEL

42. LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MULTIVOXEL (CSI 2D) Imagerie métabolique MONOVOXEL

43. SRM monovoxel: Méthode de localisation La sélection du volume sensible (VOXEL) est le résultat de 3 excitations sélectives successives dans trois plans orthogonaux

44. SRM monovoxel: Méthode de localisation DEUX METHODES : - STEAM / VEST / VOSY (stimulated echo acquisition mode) - PRESS ( point resolved spectroscopy) - CHESS (élimination du signal de l’eau) Sensibilité: PRESS > STEAM Résolution Spatiale: STEAM > PRESS

46. STEAM PRESS